Ce travail de thèse porte sur l’étude, numérique et expérimentale, des mécanismes physiques intervenant lors de l’ébullition nucléée. L’étude numérique a été conduite avec un code de simulation numérique directe utilisant une méthode "level set". Cette méthode a été évaluée à travers la simulation de la croissance de bulles dans un liquide surchauffé et de bons accords ont été observés entre nos simulations et les résultats théoriques. Puis, des modèles ont été intégrés à l’outil numérique, afin de simuler la dynamique de la ligne de contact sans changement de phase. Par la suite, ces modèles ont été validés lors de la simulation de cas tests d’étalement de gouttes sur une plaque. Enfin, des simulations de croissance de bulles sur paroi ont été réalisées en considérant le flux provenant de la micro-couche. Parallèlement, une étude sur l’ébullition nucléée, en l’absence de gaz incondensables, a été conduite en microgravité, à l’aide d’une expérience en fusée sonde : SOURCE 2. Une analyse comparative a été menée sur les échanges thermiques obtenus en 1G et en 0G. Puis, l’influence de la configuration de l’ébullition sur les transferts thermiques, en microgravité, a été étudiée. Enfin, l’outil numérique a été utilisé afin de simuler un cas test défini à partir d’une séquence de l’expérience menée en microgravité. Nous avons simulé le remplissage et la pressurisation de la cellule d’essai et un bon accord a été obtenu entre les résultats numériques et les données expérimentales. / In this work, we study different phenomena that occur during nucleate boiling. Firstly, we numerically investigate nucleate boiling by using two phase flow direct numerical simulation based on a level set / Ghost Fluid method. Nucleate boiling on a plate is not only a thermal issue, but also involves multiphase dynamics issues at different scales and at different stages of bubble growth. As a consequence, we divide the whole problem and investigate separately the different phenomena considering their nature and the scale at which they occur. First we analyse the boiling of a static bubble immersed in an overheated liquid. Then, we implement a method that makes it possible to take into account the contact angle hysteresis model. Finally, considering the evaporation of the micro-layer, we perform simulations of bubble growth on a plate. Besides, an experimental study has been performed in the framework of a sounding rocket experiment : SOURCE 2, driven by ESA (European Spatial Agency) in which several partners are involved. For SOURCE 2, a single species configuration is used. No desorption and no thermo-capillary convection occur, the change in the bubble size is only due to vaporisation. Using this device, a comparison between heat transfer on ground and heat transfer in microgravity was performed and the influence of boiling configuration on heat transfer was studied. Finally a sequence of the experiment on the sounding rocket has been numerically simulated. It concerns the filling and the pressurisation of a small reservoir in microgravity. A good agreement was obtained between the simulations and the experimental results.

EDF vise à développer une « Approche Prédictive Locale » de la crise d'ébullition, i.e. une approche permettant d'élaborer des prédicteurs (empiriques) de flux critique basés sur des paramètres locaux fournis par le code NEPTUNE_CFD (pour les seuls écoulements à bulle dans un premier temps). Dans ce cadre général, ce travail de thèse a consisté à évaluer la modélisation du code NEPTUNE_CFD, sélectionnée pour simuler les écoulements bouillants à bulles,puis à l'enrichir. Ce dernier objectif nous a conduits à nous intéresser à la modélisation mécaniste de l'ébullition nucléée sous-saturée en convection forcée. Après une analyse bibliographique critique, nous avons identifié des améliorations physiques, en particulier la prise en compte du glissement des bulles le long de la paroi chauffante. Cette voie a nécessité le développement d'une approche de type « bilan des forces » pour renseigner le diamètre de détachement des bulles de leur site actif de nucléation et le diamètre de décollage des bulles de la paroi. Un nouveau modèle d'ébullition nucléée a, pour finir, été proposé, en relation avec ces développements, et évalué de manière préliminaire. / EDF aims at developing a "Local Predictive Approach" of the boiling crisis for PWR core configurations, i.e. an approach resulting in (empirical) critical heat flux predictors based on local parameters provided by NEPTUNE_CFD code (for boiling bubbly flows, only in a first stage). Within this general framework, this PhD work consisted in assess one modelling of NEPTUNE_CFD code selected to simulate boiling bubble flows, then improve it. The latter objective led us to focus on the mechanistic modelling of subcooled nucleate boiling in forced convection. After a literature review, we identified physical improvements to be accounted for, especially with respect to bubble sliding phenomenon along the heated wall. Subsequently, we developed a force balance model in order to provide needed closure laws related to bubble detachment diameter from the nucleation site and lift-off bubble diameter from the wall. A new boiling model including such developments was eventually proposed, and preliminary assessed

Die vorliegende Dissertationsschrift beinhaltet die Ergebnisse der Untersuchung von loka-len und globalen Prozessen der Wärmeübertragung beim unterkühlten Strömungssieden. Sie ist an der Schnittstelle zwischen Reaktorsicherheitsforschung und der experimentellen Thermofluiddynamik für Phasenübergänge einzuordnen. In technischen Anwendungen zur effizienten Übertragung großer Wärmemengen spielt der Prozess des Siedens eine wichtige Rolle. Dieser Vorgang bewirkt einen starken Anstieg des Wärmetransportes von der beizten Wand an das Fluid bei vergleichsweise geringem Anstieg der Wandtemperatur. Der maximal übertragbare Wärmestrom beim Sieden wird begrenzt durch die sogenannte kritische Wärmestromdichte, deren Überschreitung zum thermomechanischen Versagen der beheizten Komponente führen kann. Aufgrund der Komplexität dieser Prozesse ist es trotz intensiver Arbeiten in den letzten Jahrzehnten noch nicht gelungen, diese Vorgänge detailliert zu modellieren. Eine Weiter-entwicklung der Modelle zur realistischen Beschreibung des unterkühlten Strömungssie-dens erfordert neuartige Untersuchungen, welche eine genaue Klassifizierung der partiellen Wärmeübergänge des Blasensiedens ermöglichen. Die Analyse partieller Wärmetransportgrößen beim unterkühlten Strömungssieden sowie der Einfluss variierender thermohydraulischer Randbedingungen ist Schwerpunkt dieser Arbeit. In der entwickelten Versuchsanlage erfolgt die Erfassung der Siedevorgänge bei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 – 2 m/s und Eintrittstemperaturen von 60 - 98 °C. Mit Hilfe empfindlicher Temperaturmessungen in einem elektrisch beheizten Kapillarrohr innerhalb des Strömungskanals werden die globalen Vorgänge beim Übergang von Kon-vektion zum Sieden erfasst. Durch eine modellbasierte Bestimmung der Oberflächentem-peratur lassen sich Phänomene nachweisen, welche bisher weitestgehend unbeachtet ge-blieben sind. Die transparente Versuchsstrecke ermöglicht eine Erfassung der lokalen Sie-devorgänge mit optisch und zeitlich hochauflösenden Messverfahren. Durch die Entwick-lung neuer Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung wurde eine umfangreiche, kenngrö-ßenorientierte Auswertung der in großem Umfang entstandenen Datenmengen realisiert. Der Einsatz transparenter und elektrisch leitfähiger Beschichtungen ermöglicht die mikro-skopische Erfassung des Blasenwachstums in weiten thermohydraulischen Parameterberei-chen. Mit erweiterten Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgt die detaillierte und dynamische Bewertung des Blasenwachstumsverhaltens. Die statistische Auswertung der Verläufe er-möglicht die Ableitung eines Blasenwachstumsmodells für unterkühltes Strömungssieden. In einer weiteren Versuchsanordnung werden die lokalen Wärmetransportvorgänge bei der Ablösung quasistatisch gewachsener Blasen mit Hilfe der Infrarot-Thermographie be-stimmt. Dadurch können erstmalig die aus der lokalen Abkühlung der beheizten Oberfläche durch Blasenablösung resultierenden Wärmeströme unter Vernachlässigung der Bla-senbildung experimentell quantifiziert werden. Weiterhin können die bisher theoretisch beschriebenen Driftströmungen beim Aufstieg der Blase experimentell nachgewiesen wer-den. Die ermittelten Größen und Zusammenhänge tragen zur Weiterentwicklung und zum Abbau von Unsicherheiten bei der Modellierung von Wärmetransportvorgängen beim unterkühlten Strömungssieden bei.

L’étude de l’ébullition transitoire est un enjeu important pour la sureté nucléaire. Un tel phénomène peut se produire lors d’un accident de type RIA (Reactivity Initiated Accident)dans un réacteur nucléaire où le pic de puissance au niveau d’un crayon de combustible peut déclencher une ébullition transitoire conduisant à une forte augmentation de la température de la gaine et à un risque de rupture. Plusieurs études en conditions réacteurs ont permis d’obtenir des courbes d’ébullition transitoires mais la modélisation qui en découle manque encore de fiabilité. Dans le cadre d’une collaboration avec l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), une expérience modèle a été construite à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). Elle génère un écoulement de réfrigérant HFE7000 dans un canal de section semi-annulaire, simulant l’écoulement autour d’un crayon de combustible, dont la partie intérieure, composée d’une feuille de métal, est chauffée rapidement par effet Joule, simulant l’échauffement de la gaine du crayon. La thermographie infra-rouge permet de mesurer la température de la paroi externe du métal. L’application d’une peinture noire sur le métal augmente son émissivité mais aussi la résistance thermique de la paroi. La précision de la mesure de la température d’intérêt a été optimisée en fonction de l’épaisseur de peinture et une correction sur le bilan d’énergie prend en compte ce paramètre. Ces mesures sont couplées avec une caméra rapide qui permet de visualiser les régimes d’ébullition et d’obtenir des tailles de bulles à l’aide de la mise en place d’algorithmes de traitement d’image. On représente sur un diagramme flux-température les transferts thermiques lors des différents régimes en stationnaire et en transitoire. Chaque régime d’ébullition, en conditions stationnaire ou transitoire, est alors passé en revue : la convection, le déclenchement de l’ébullition, l’ébullition nucléée, la crise d’ébullition, l’ébullition en film et le remouillage. Les régimes stationnaires sont correctement modélisés par des corrélations usuelles. La convection transitoire est caractérisée sur toute la paroi et son évolution se rapproche de la solution quasistationnaire. Il est montré que les transferts thermiques lors du passage vers l’ébullition nucléée sont dépendants de la formation d’une importante poche de vapeur qui se propage sur la paroi. Une étude locale de cette propagation est alors nécessaire. Afin de simuler des transitoires de température durant l’ébullition nucléée, un système d’asservissement de type P.I.D. permet d’imposer des créneaux ou des rampes de températures (de 5 à 500 K.s 1 ). Les résultats en ébullition nucléée sont conformes avec ceux de la littérature, tant en conditions stationnaire que transitoire. L’expérience permet d’étudier le transfert de chaleur lorsqu’un film de vapeur se forme et isole la paroi. Ce régime d’ébullition en film, pendant la chauffe ou le refroidissement de la paroi peut ainsi être stabilisée pendant plusieurs secondes avec ce système. On caractérise ainsi les conditions de déclenchement de l’ébullition en film, la dynamique de sa propagation et les transferts une fois établi. Enfin, l’implémentation des caractéristiques physiques de notre expérience dans le code SCANAIR de l’IRSN, permet de commencer à calculer et comparer nos résultats expérimentaux avec les simulations numériques. Des calculs de conduction instationnaire sont notamment considérés en imposant la température mesurée pour analyser nos résultats lors du régime de convection et après le déclenchement de l’ébullition. / The study of rapid transient boiling is an important issue in the nuclear safety. Such a phenomenon may occur in the case of a RIA (Reactivity Initiated Accident) in the core of a nuclear reactor powerplant, where a power excursion can trigger the formation of a vapour film around the fuel rod, leading to an important rise of the rod temperature and a risk of failure. Some studies in reactor conditions provided transient boiling curves but the modeling lacks of reliability. In collaboration with the IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire), an experiment model was built at the Institute of Fluid Mechanics of Toulouse. It generates the flow of a refrigerant, HFE7000, in a semi-annular section channel, whose inner wall is made of a metal foil rapidly heated by Joule effect, simulating the heating of a fuel rod. Infrared thermography is used to measure the temperature of the metal foil, painted with a black paint to increase its emissivity, causing also an increase of the wall thermal resistance. The measurement accuracy of the interest temperature has been optimized according to the paint thickness and a correction on the energy balance takes account this parameter. These measurements are coupled with a high-speed camera that allows visualizing the boiling regimes and get bubble sizes using image processing algorithms. On a flux-temperature diagram, the heat transfers are represented both for steady and transient regimes. Each boiling regime is then reviewed : convection, onset of nucleate boiling, nucleate boiling, boiling crisis, film boiling and rewetting. Steady regimes are correctly modeled by usual correlations. Transient convection is characterized over the whole wall and its evolution is closed to the quasi-steady solution. It is shown that heat transfer during the transition to nucleate boiling are strongly related to the formation of a large vapor phase that spreads on the wall. A local study of this propagation is then necessary. In order to simulate and control transient temperature during nucleate boiling, a P.I.D. is implemented to impose a steady or ramps temperature (from 5 to 500 K.s 1 ). The results in nucleate boiling make it possible to recover the results of the literature in both steady and transient conditions. The experiment allows to study the heat transfer when a vapor film is formed and insulates the wall. The film boiling regime during heating or the cooling of the wall can thus be stabilized for several seconds with this system. The conditions for triggering of film boiling are thus characterized, as its spread dynamic and its transfers once established. Finally, the implementation of the physical characteristics of our experience in IRSN’s SCANAIR code allows us to begin to calculate and compare our experimental results with numerical simulations. Unsteady conduction calculations are applied to the measured temperature to analyze our results during the convection regime and after the onset of boiling.

Pour diversifier leur matériel génétique, s’adapter aux perturbations environnementales et coloniser de nouvelles niches, les bactéries utilisent plusieurs processus évolutifs dont l’acquisition de matériel génétique par transfert horizontal de gènes comme la conjugaison, la transduction et la transformation. À ces trois mécanismes naturels s’ajoute l’électrotransformation due aux phénomènes électriques liés à la décharge de foudre. La présence dans les nuages de bactéries aérosolisées capables de former des noyaux de glace à l’origine des précipitations et impliquées dans le déclenchement de la foudre, telles que la bactérie phytopathogène à répartition mondiale Pseudomonas syringae, nous a conduit à proposer que l’électrotransformation naturelle dans les nuages pouvait affecter les bactéries, contribuant ainsi à augmenter leur potentiel adaptatif. Dans un premier temps, nous avons déterminé si la bactérie glaçogène P. syringae pouvait survivre à des électroporations simulant des décharges de foudre et acquérir du matériel génétique exogène dans les nuages. Comparée à deux autres bactéries, P. syringae se révèle être mieux adaptée pour la survie et l’électrotransformation génétique, ce qui suggère qu’elle serait capable de survivre et d’évoluer durant son transport dans les nuages. Nous avons ensuite évalué l’impact d’électroporations simulant les décharges de foudre sur la survie, le potentiel d’électrotransformation et la diversité de bactéries présentes dans des échantillons de pluie comme substitut des communautés bactériennes des nuages. Ces dernières étaient plus résistantes que les souches de laboratoire et certaines étaient capables d’acquérir de l’ADN exogène par électrotransformation. Les bactéries de la pluie isolées provenaient de différentes origines et présentaient différents modes de vie, représentatifs des sources probables d’émissions de bactéries terrestres. Cette étude montre que les bactéries aérosolisées de divers écosystèmes terrestres sont susceptibles de se disséminer dans de nouveaux habitats grâce aux nuages tout en étant capable d’acquérir de nouveaux gènes par éléctrotransformation, et d’augmenter ainsi potentiellement leur diversité génétique. La dernière partie de mon travail a évalué si l’électrotransformation appliquée aux bactéries indigènes du sol pouvait être employée pour dépolluer les sols contaminés par un pesticide largement utilisé autrefois, le lindane. L’optimisation des expériences met en évidence l’incorporation par les bactéries indigènes d’un plasmide contenant le gène codant les premières déchlorinations du lindane au travers d’une combinaison de transformation naturelle et d’électrotransformation. En conclusion, nous avons montré que l’électrotransformation naturelle liée aux décharges électriques, comme celles se produisant dans les nuages ou atteignant le sol, peut être impliquée dans le transfert horizontal de gènes chez les bactéries et, considérant l’importance de la foudre à travers le monde, pourrait jouer un rôle dans l’adaptation et l’évolution de ces organismes. / To diversify their genetic material, allowing adaptation to environmental disturbances and colonization of new ecological niches, bacteria use various evolutionary processes, including the acquisition of new genetic material by horizontal transfer mechanisms such as conjugation, transduction and transformation. Electrotransformation mediated by lightningrelated electrical phenomena may constitute an additional gene transfer mechanism occurring in nature. The presence in clouds of bacteria capable of forming ice nuclei that lead to precipitations and are involved in the triggering of lightning, such as the global phytopathogen Pseudomonas syringae, led us to postulate that natural electrotransformation in clouds may affect bacteria, by contributing to increase their adaptive potential. We first determined if the ice nucleator bacterium P. syringae could survive when in clouds and acquire exogenous genetic material through lightning shock-simulating in vitro electroporation. In comparison to two other bacteria, P. syringae appears to be best adapted for survival and for genetic electrotransformation under these conditions, which suggests that this bacterium would be able to survive and evolve whilst being transported in clouds. Secondly, we evaluated the impact of lightning shock-simulating in vitro electroporation on the survival, the electrotransformation potential and the diversity of bacteria collected from rain samples. These isolates better resisted lightning than the laboratory strains and some were able to electrotransform exogenous DNA. The rain bacteria we isolated were of different origins and were representative of life modes of the various sources of bacterial emissions on Earth. Our study suggests that bacteria aerosolized from diverse terrestrial ecosystems can spread to new habitats through clouds whilst also being able to acquire new genetic material via lightning-based electrotransformation, thereby potentially enhancing their genetic diversity. The final part of our work consisted of evaluating whether electrotransformation could be applied to the engineering of indigenous soil bacteria in order to develop a tool for the bioremediation of lindane, a once widely used pesticide. Optimized experiments revealed that both natural and electrotransformation contributed to the incorporation of a plasmid harboring a gene encoding the first lindane dechlorination steps by indigenous soil bacteria. In conclusion, we showed that natural electrotransformation mediated by electrical discharges such as those occurring in clouds or reaching soils can be involved in the horizontal gene transfer process among bacteria and, considering the importance of lightning worldwide, may play a role in the adaptation and evolution of these organisms.

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Die vorliegende Dissertationsschrift beinhaltet die Ergebnisse der Untersuchung von loka-len und globalen Prozessen der Wärmeübertragung beim unterkühlten Strömungssieden. Sie ist an der Schnittstelle zwischen Reaktorsicherheitsforschung und der experimentellen Thermofluiddynamik für Phasenübergänge einzuordnen. In technischen Anwendungen zur effizienten Übertragung großer Wärmemengen spielt der Prozess des Siedens eine wichtige Rolle. Dieser Vorgang bewirkt einen starken Anstieg des Wärmetransportes von der beizten Wand an das Fluid bei vergleichsweise geringem Anstieg der Wandtemperatur. Der maximal übertragbare Wärmestrom beim Sieden wird begrenzt durch die sogenannte kritische Wärmestromdichte, deren Überschreitung zum thermomechanischen Versagen der beheizten Komponente führen kann. Aufgrund der Komplexität dieser Prozesse ist es trotz intensiver Arbeiten in den letzten Jahrzehnten noch nicht gelungen, diese Vorgänge detailliert zu modellieren. Eine Weiter-entwicklung der Modelle zur realistischen Beschreibung des unterkühlten Strömungssie-dens erfordert neuartige Untersuchungen, welche eine genaue Klassifizierung der partiellen Wärmeübergänge des Blasensiedens ermöglichen. Die Analyse partieller Wärmetransportgrößen beim unterkühlten Strömungssieden sowie der Einfluss variierender thermohydraulischer Randbedingungen ist Schwerpunkt dieser Arbeit. In der entwickelten Versuchsanlage erfolgt die Erfassung der Siedevorgänge bei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 – 2 m/s und Eintrittstemperaturen von 60 - 98 °C. Mit Hilfe empfindlicher Temperaturmessungen in einem elektrisch beheizten Kapillarrohr innerhalb des Strömungskanals werden die globalen Vorgänge beim Übergang von Kon-vektion zum Sieden erfasst. Durch eine modellbasierte Bestimmung der Oberflächentem-peratur lassen sich Phänomene nachweisen, welche bisher weitestgehend unbeachtet ge-blieben sind. Die transparente Versuchsstrecke ermöglicht eine Erfassung der lokalen Sie-devorgänge mit optisch und zeitlich hochauflösenden Messverfahren. Durch die Entwick-lung neuer Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung wurde eine umfangreiche, kenngrö-ßenorientierte Auswertung der in großem Umfang entstandenen Datenmengen realisiert. Der Einsatz transparenter und elektrisch leitfähiger Beschichtungen ermöglicht die mikro-skopische Erfassung des Blasenwachstums in weiten thermohydraulischen Parameterberei-chen. Mit erweiterten Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgt die detaillierte und dynamische Bewertung des Blasenwachstumsverhaltens. Die statistische Auswertung der Verläufe er-möglicht die Ableitung eines Blasenwachstumsmodells für unterkühltes Strömungssieden. In einer weiteren Versuchsanordnung werden die lokalen Wärmetransportvorgänge bei der Ablösung quasistatisch gewachsener Blasen mit Hilfe der Infrarot-Thermographie be-stimmt. Dadurch können erstmalig die aus der lokalen Abkühlung der beheizten Oberfläche durch Blasenablösung resultierenden Wärmeströme unter Vernachlässigung der Bla-senbildung experimentell quantifiziert werden. Weiterhin können die bisher theoretisch beschriebenen Driftströmungen beim Aufstieg der Blase experimentell nachgewiesen wer-den. Die ermittelten Größen und Zusammenhänge tragen zur Weiterentwicklung und zum Abbau von Unsicherheiten bei der Modellierung von Wärmetransportvorgängen beim unterkühlten Strömungssieden bei.

<p dir="ltr">Boiling processes have long had an important role in power generation and air conditioning applications. The efficient and reliable heat dissipation afforded through the phase change process in the boiling has led to their generation of a substantial body of work in this field over several decades. Despite decades of efforts, the heat transfer performance prediction in boiling has been highly empirical with models working only for a narrow range of surface/fluids or other operating conditions. The limitation in these models is a result of a lack of mechanistic understanding of the underlying heat and mass transfer process. Surface dryout or boiling crisis is a process wherein there is a spontaneous formation of vapor film on top of the surface causing a catastrophic increase in surface temperature. The heat flux at which this formation of vapor film occurs is called critical heat flux (CHF). The CHF demarcates the upper limit to the regime of stable nucleating bubbles called nucleate boiling. The mechanism causing dryout is under debate for over half a century and several conflicting theories that cause dryout have been suggested since the 1950s including hydrodynamic, irreversible dryspot expansion, macrolayer dryout/liftoff, critical bubble distributions, vapor-recoil based theories and more. The lack of consensus is due to limitation in the information collected on the dynamic multiscale and chaotic bubble interactions. Recent advances in high-fidelity spatiotemporal phase, temperature, and heat flux measurements now enable diagnostic tools that can be leveraged to understand the complex heat transfer processes emerging from bubble-surface interaction on the boiling surface. In this work, we develop such techniques to understand various transport mechanisms underlying boiling and its crisis.</p><p dir="ltr">In this work, an experimental technique for collecting synchronized through-substrate visual and infrared (IR) measurements of a boiling surface is developed. An IR and visually transparent sapphire substrate with an IR-opaque indium-tin-oxide (ITO) heater layer is used to measure the phase (liquid and vapor areas) and temperature of the ITO layer. The visual camera collects the light reflected off the substrate from a red LED and the images collected show a contrast between liquid and vapor areas that is used to generate binarized phase maps. The temperature from the IR camera is used as boundary condition to solve a conduction problem for heat fluxes going into the fluid. Four distinct heat flux signatures corresponding to liquid, contact line, vapor and rewetting regions are observed. A post-processing methodology utilizing synchronous phase measurements to identify and partition these regions is introduced. The high-fidelity phase measurements allow for detection of fine features that are not discernable using heat flux maps alone. Analysis of the heat flux and temperature maps of partitioned regions for HFE-7100 fluid on the ITO surface show qualitative agreement with the trends in mechanisms underlying those areas. The experiment and post-processing methodology introduced in this work is the first to provide partitioning of underlying heat transfer mechanisms for multi-bubbles throughout the entire range of the boiling curve during both steady and transient scenarios.</p><p dir="ltr">The technique developed is used to probe the mechanisms underlying the boiling crisis. Theories suggested in the literature for boiling crisis are carefully evaluated and evidence against hydrodynamic instability, macrolayer dryout, vapor recoil, irreversible expansion of dryspots, macrolayer liftoff model, and bifurcations from critical distributions is observed. The signature in the peak of the spatially averaged fluid heat flux is observed to precede any other signs of dryout. Beyond the peak heat flux an increase in superheat leads to reduced heat dissipated by boiling and further increases the temperature causing a thermal runaway in the substrate that eventually leads to dryout. Hence, the boiling crisis is found to be a consequence of a peak in the nucleate boiling curve. The cause for the peak in the boiling heat flux for the surface-fluid combination tested was due to degradation of heat transfer caused by the replacement of high-heat-transfer contact line region with lower-heat-transfer vapor covered regions, among the multiple competing mechanisms. Hence, we propose that mechanistically modeling the boiling crisis rests on prediction of the peak in the upper portion of the nucleate boiling curve by considering all underlying heat transfer mechanisms. A modeling framework based on heat flux partitioning, where the overall heat transferred during boiling is calculated as the sum of the heat transferred by individual mechanisms is demonstrated as potential pathway to predict the upper portion of the nucleate boiling curve and thereby critical heat flux. Based on the terms involved in summation for individual mechanisms, we propose that the boiling curve for any given surface be interpreted as a path on a multidimensional surface (boiling manifold). Estimation of such a boiling manifold allows for prediction of the boiling curve for any surface, given development of the relations between these parameters and surface-fluid properties, and can further be used to backtrack relevant thermophysical or nucleation properties for enhanced boiling performance.</p><p dir="ltr">Enhancement of pool boiling heat transfer performance using surface modifications is of major interest to applications and this work further delves into characterizing the boiling performance using traditional surface averaged measurements of microstructured surfaces using HFE-7100. We find that microlayer evaporation from the imbibed liquid layer underneath the growing vapor bubbles is the key mechanism of boiling heat transfer enhancement in microstructures. Further, this implies that characterization of microstructured surfaces for evaporative performance can serve as an important proxy to enable heat transfer coefficient enhancement prediction during pool boiling. Hence, we also developed an easily calculated Figure of Merit (FOM) that characterizes the efficacy of evaporation from microstructured surfaces.</p><p dir="ltr">To summarize, in this work we developed an experimental technique using synchronous through-substrate high-speed visual and IR imaging methods. New post-processing techniques for partitioning of different heat transfer mechanisms are proposed and used to analyze boiling on an ITO-coated sapphire substrate with HFE-7100 as the working fluid. We reveal thermal runaway in the substrate caused due to a negative-sloping boiling curve as the mechanism of dryout. Mechanistic modeling of the critical heat flux thus involves calculating the peak in the nucleate boiling curve. A framework to predict the nucleate boiling curve and subsequently critical heat flux is proposed based on the partitioning analysis. The experimental method developed lays the groundwork for measuring heat flux and superheats associated with various mechanisms, and hence, enables validation of future partitioning-based boiling heat transfer models that intrinsically enable prediction of the peak.</p>

<p>In this study, universal databases and semi-empirical correlations are developed for cryogenic two-phase heat transfer and pressure drop in heated tubes undergoing flow boiling.</p>

<p>This study comprises experimental investigations and theoretical/empirical analyses of three forced-convective (pumped) boiling schemes: (i) confined round single jet and jet array impingement boiling, and flow boiling through conventional-sized (ii) concentric circular annuli and (iii) rectangular channels. These schemes could be utilized in the thermal management of various applications including high-heat-flux electronic devices, power devices, electric vehicle charging cables, avionics, future space vehicles, etc.</p>