Capacitance manometer with sensors maintained at temperatures above the temperature of the vacuum vessel may read a higher gas pressure than the true value. This arises due to a transport process of molecules induced by molecule-surface collisions called thermal transpiration effect. Thermal transpiration effect depends on the pressure, the temperature gradient, gas, geometry and surface properties of the interconnecting pipe between the capacitance manometer and the vacuum vessel. To determine the height of the thermal transpiration effect for the biomolecular gas tetrahydrofuran, an experimental setup has been built. Its suitability to measure the thermal transpiration effect has been tested. Measurements of thermal transpiration effects for nitrogen and tetrahydrofuran have been analyzed with the semi-empirical Takaishi-Sensui equation. The coefficients of the Takaishi-Sensui equation can be used to determine the magnitude of the thermal transpiration effect for different temperature gradients, diameters of the interconnecting pipe and pressures.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第19686号 / 工博第4141号 / 新制||工||1639(附属図書館) / 32722 / 京都大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻 / (主査)教授 稲室 隆二, 教授 青木 一生講師杉元 宏 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Ce manuscrit présente l'étude et l'analyse d'écoulements de gaz raréfiés, induits par la transpiration thermique. Le terme de transpiration thermique désigne le mouvement macroscopique d'un gaz raréfié engendré par l'effet du seul gradient de température. L'aspect principal de ce travail est centré autour de la mesure du débit stationnaire déclenché en soumettant un micro tube à un gradient de température appliqué le long de son axe. On a développé à cet effet un appareillage expérimental original ainsi qu'une méthodologie expérimentale innovatrice basée sur la dépendance du phénomène, analysé dans son ensemble, à l'égard du temps. Les résultats obtenus pour le débit stationnaire initial de transpiration thermique et pour les paramètres thermo-moléculaires caractérisant l'équilibre final de débit nul, ont été comparés aux résultats obtenus numériquement par la résolution de l'équation cinétique modèle de Shakhov et par la méthode de simulation directe de Monte-Carlo. / This thesis presents the study and analysis of rarefied gas flows induced by thermal transpiration. Thermal transpiration refers to the macroscopic movement of rarefied gas generated by a temperature gradient. The main aspect of this work is centered around the measurement of the mass flow rate engendered by subjecting a micro-tube to a temperature gradient along its axis. In this respect, an original experimental apparatus and an original time-dependent experimental methodology was developed. The experimental results for the initial stationary thermal transpiration mass flow rate and for the final zero- flow thermal molecular parameters were compared with the results obtained from the numerical solution of the Shakhov model kinetic equation and the direct simulation Monte Carlo method.

Cette thèse présente une étude numérique et expérimentale d’écoulements gazeux raréfiés confinés, induits par gradients thermiques. L’écoulement d’un gaz raréfié peut en effet être généré en appliquant uniquement un gradient tangentiel de température le long d'une paroi. Ainsi, sans gradient initial de pression, le gaz peut se déplacer de la région froide vers la région chaude. Ce phénomène, appelé transpiration thermique, est à la base du fonctionnement des pompes dites de Knudsen, capables de générer un pompage du gaz sans utiliser de pièces mécaniques mobiles. L’apport principal de ce travail est relatif à l’investigation numérique de l’écoulement de transpiration thermique dans trois nouvelles configurations de pompe Knudsen. Dans ce but, une méthode numérique de simulation d’écoulements dans le régime de glissement a été développée ; elle implémente des conditions aux limites de saut de vitesse et de température spécifiques dans un code CFD commercial. Parallèlement, un code DSMC a été mis en œuvre pour étudier des écoulements plus fortement raréfiés dans les géométries les plus complexes. Des écoulements de transpiration thermique générés dans des canaux courbés, dans des canaux convergents/divergents ou entre deux surfaces spécialement micro-texturées ont ainsi été étudiés. D’autre part, l’analyse expérimentale d’un écoulement de transpiration thermique dans un microtube de section circulaire a été réalisée sur un nouveau banc d’essais conçu pour être adaptable à diverses géométries de canaux ou de pompes Knudsen. / This thesis presents a numerical and experimental analysis of internal rarefied gas flows induced by temperature fields. In rarefied gases, a flow can be generated by solely applying a tangential temperature gradient along a wall: without any initial pressure gradient, the gas macroscopically moves from the cold toward the hot region. This phenomenon is the so-called thermal creep or thermal transpiration effect. It is the main operating principle of the Knudsen pump, which can generate gas pumping without the need of any moving parts. The main aspect of this work is centered on numerical investigations of thermal transpiration flows in three new possible configurations of Knudsen pumps. For that goal, a numerical model for slip flows has been developed in which the appropriate slip boundary conditions are implemented in a commercial CFD code and a DSMC code has been adapted for studying transition flows in complex geometries. The pumping effect of curved-channel Knudsen pumps, the thermal transpiration flows through tapered channels and between two ratchets surfaces at different uniform temperatures have been investigated. In addition, an experimental study of thermal transpiration flow through a single micro-tube has been carried out on a new experimental set-up designed to be adaptable for testing thermally driven flows through various kinds of microchannels or generated by autonomous Knudsen compressors

La détermination des propriétés physiques de l’eau pure, notamment la pression de vapeur saturante en fonction de la température, est un enjeu majeur en humidité et identifié comme tel par le Comité Consultatif de Thermométrie (CCT-WG6) sous-groupe Humidité du Comité Technique de Température (TC-T) afin d’améliorer les incertitudes des références nationales en humidité. A cette fin, le LNE-CETIAT et le LNE-Cnam ont développé conjointement un dispositif expérimental permettant d’accéder au couple température / pression de vapeur saturante de l’eau pure. Le principe est basé sur une mesure statique de la pression et de la température dans une cellule d’équilibre associée à un calorimètre quasi-adiabatique. La gamme de température d’équilibre couverte s’étend de 193,15 K à 373,15 K, correspondant à une pression de vapeur saturante allant de 0,06 Pa à 105 Pa.Ce travail présente la description, la réalisation et la caractérisation métrologique de ce nouveau dispositif expérimentale. Les résultats des mesures expérimentales sont comparés avec les travaux théoriques et expérimentaux les plus récents. Le budget d'incertitude finale prend en compte la contribution de la mesure de pression, de la mesure de température et des effets parasites telles que la transpiration thermique et la pression aérostatique. Grace aux différentes solutions mises en œuvre, la contribution des mesures de température dans le bilan d’incertitude globale est réduite. La part prépondérante reste essentiellement associée à la mesure de pression. / The determination of the physical properties of pure water, especially the vapor-pressure curve, is one of the major issues identified by the Consultative Committee for Thermometry (CCT) of the technical committee in thermometry sub-field hygrometry to improve the accuracy of the national references in humidity.In order to achieve this objective, the LNE-CETIAT and the LNE-Cnam have jointly built a facility dedicated to the measurement of the saturation vapor pressure and temperature of pure water. The principle is based on a static measurement of the pressure and the temperature of pure water in a closed, temperature-controlled thermostat, conceived like a quasi-adiabatic calorimeter. The explored temperature range lies between 193,15 K and 373,15 K, and the pressure range between 0,06 Pa and 105 Pa.This work presents a full description of this facility and the preliminary results obtained for its characterization. The obtained results have been compared with available literature data. The final uncertainty budget took into account several components: pressure measurements, temperature measurements and environmental error sources such as thermal transpiration and hydrostatic pressure correction. Thanks to the employment of several technical solutions, the thermal contribution to the overall uncertainty budget is reduced, and the remaining major part is mainly due to pressure measurements.