L'ébullition est présente dans la vie de tous les jours et elle a été par conséquent le sujet de beaucoup d'études, mais pour la plupart en régimes stationnaires. Néanmoins, l'intérêt de connaître les caractéristiques de l'ébullition transitoire est aussi important notamment pour la prévention des accidents nucléaires majeurs. C'est justement dans l'optique de mieux comprendre les phénomènes d'ébullition qui se produisent lors d'un RIA (Accident d'Insertion de Réactivité) que cette thèse a été financée par l'IRSN. Le RIA est un accident qui peut résulter d'une défaillance du mécanisme de la grappe contrôlant la réaction nucléaire. La réaction s'emballe pendant quelques dizaines de millisecondes (pulse de puissance) provoquant une augmentation rapide de la température du crayon de combustible et donc l'évaporation du liquide qui l'entoure. Des tests ont été faits par le passé soit sur des crayons de combustibles, soit sur des tubes chauffés ayant les mêmes dimensions qu'un crayon, afin d'améliorer la connaissance de ce phénomène. Par contre, les mesures étaient entachées d'incertitudes importantes, dues à des techniques de mesure non appropriées à des phénomènes si rapides. L'objectif de ce travail a été de concevoir et mettre en place une expérience capable de simuler un RIA à petite échelle, pour mieux comprendre les caractéristiques de l'ébullition lorsque la paroi monte en température très rapidement. De plus, ce dispositif expérimental devait être apte à étudier des montées en température moins violentes pour améliorer la connaissance de l'ébullition transitoire en général. Cette expérience a été conçue à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Elle est constituée d'une feuille métallique d'acier de 50µm d'épaisseur, formée en demi cylindre (8mm de diamètre et 200mm de longueur) et chauffée par effet Joule. Elle est entourée par du fluide réfrigérant HFE7000, qui permet de travailler en similitude par rapport au cas réel en eau. Le fluide est confiné par un deuxième demi cylindre en verre, ayant 34mm de diamètre. Les expériences peuvent être en vase ou avec écoulement, écoulement qui a été caractérisé par des mesures PIV. Plusieurs débits peuvent donc être employés et le sous-refroidissement du liquide est aussi ajustable. L'emploi d'une alimentation pilotable et très flexible permet d'obtenir des chauffages du métal jusqu'à 2500K/s, mais aussi des montées en température plus faibles, pour tracer des courbes d'ébullition stationnaires ou faiblement transitoires. La température de la paroi est mesurée grâce à une caméra infrarouge, couplée à des visualisations rapides et à des mesures de pression et température dans le liquide. / Boiling phenomena can be found in the everyday life, thus a lot of studies are devoted to them, especially in steady state conditions. Transient boiling is less known but still interesting as it is involved in the nuclear safety prevention. In this context, the present work was supported by the French Institute of Nuclear Safety (IRSN). In fact, the IRSN wanted to clarify what happens during a Reactivity-initiated Accident (RIA). This accident occurs when the bars that control the nuclear reactions break down and a high power peak is passed from the nuclear fuel bar to the surrounding fluid. The temperature of the nuclear fuel bar wall increases and the fluid vaporises instantaneously. Previous studies on a fuel bar or on a metal tube heated by Joule effect were done in the past in order to understand the rapid boiling phenomena during a RIA. However, the measurements were not really accurate because the measurement techniques were not able to follow rapid phenomena. The main goal of this work was to create an experimental facility able to simulate the RIA boiling conditions but at small scale in order to better understand the boiling characteristics when the heated-wall temperature increases rapidly. Moreover, the experimental set-up was meant to be able to produce less-rapid transients as well, in order to give information on transient boiling in general. The facility was built at the Fluid-Mechanics Institute of Toulouse. The core consists of a metal half-cylinder heated by Joule effect, placed in a half-annulus section. The inner half cylinder is made of a 50 microns thick stainless steel foil. Its diameter is 8mm, and its length 200mm. The outer part is a 34mm internal diameter glass half cylinder. The semi-annular section is filled with a coolant, named HFE7000. The configuration allows to work in similarity conditions. The heated part can be place inside a loop in order to study the flow effect. The fluid temperature influence is taken into account as well. A flexible power supply that can generate a free-shape signal, allows to get to a wall-temperature increase rate up to 2500 K/s but also to obtain lower rates, which permits to study weaker transients and steady state conditions. The thermal measurements are realised by means of an infra-red camera and a high-speed camera is employed in order to see the boiling phenomena at the same time. From the voltage and current measurements the heat flux that is passed to the fluid is known.

Ce travail est axé sur l'étude de l'évaporation lente d'un liquide confiné dans un tube capillaire de section carrée, en lien avec l'étude du phénomène de séchage. Dans un tel capillaire, si le liquide est suffisamment mouillant, des films liquides se forment par capillarité le long des coins internes. L'évaporation du liquide en sommet de film engendre un pompage capillaire et l'espèce volatile est alors transportée, sous phase liquide, au plus près du sommet du capillaire. Ce mode de transport dépend de la compétition entre les effets capillaires et les effets visqueux et de gravité qui s'opposent tous deux au mouvement du liquide vers le sommet du capillaire. Ces films liquides sont étudiés en adoptant une approche expérimentale. Le principe des expériences est de laisser un liquide volatil s'évaporer dans un tube capillaire carré. Plusieurs expériences d'évaporation sont réalisées en faisant varier la nature du liquide, la taille du capillaire et son orientation (horizontale et verticale). Une méthode de thermographie infra-rouge permet de mesurer le profil de température le long du capillaire. Le refroidissement induit par le changement de phase liquide-vapeur ainsi que sa position sont alors mesurables. A partir d'une méthode de visualisation par ombroscopie, plusieurs grandeurs sont mesurées : position du ménisque principal, taux d'évaporation et épaisseur relative des films. En s'appuyant sur une analyse simple du transfert de masse, on montre alors que les cinétiques d'évaporation obtenues expérimentalement se divisent en trois principales phases caractéristiques, ressemblant fortement aux trois périodes de la cinétique classique de séchage des milieux poreux capillaires. L'analyse de l'hydrodynamique des films montre qu'il est indispensable de prendre en compte l'arrondi interne des coins des capillaires dans la modélisation de l'écoulement au sein des films. On montre notamment que le phénomène étudié est très sensible à ce paramètre, qui limite l'extension des films. Ce travail expérimental a permis de développer une modélisation du transfert de masse dans la configuration étudiée, couplée à une modélisation de l'écoulement des films, et finalement de proposer un modèle de séchage d'un capillaire carré quantitativement satisfaisant. / In connection with the study of the phenomenon of drying, this work focuses on the study of slow evaporation of a liquid confined in a capillary of square cross section. In such a capillary, if the liquid wetting contact angle is low enough, liquid films are trapped by capillary forces along the capillary inside corners. Evaporation of the liquid at the film top creates a capillary pumping. The volatile species is then transported in liquid phase to the top of the capillary. This efficient mode of transport depends on the competition between the effects of capillarity and the effects of viscosity and gravity both opposing to the liquid flow towards the top of the capillary. In this work, the liquid films are studied experimentally.The principle of the experiments is to leave a volatile liquid evaporate in a square capillary tube. Several evaporation experiments are conducted, varying the liquid, the capillary tube size and its orientation (horizontal and vertical). An infrared thermography method allows to measure the temperature profile along the capillary. The cooling induced by the liquid-vapor phase change and its location is then measured. Owing to an ombroscopy visualization method, the location of the bulk meniscus, the evaporation rate and the relative thickness of the films can be measured. The experimental results show that the evaporation kinetics is similar to the drying kinetics of capillary porous media. This finding allows to study evaporation in a square capillary by analogy with the study of drying of capillary porous media. Based on a simple analysis of mass transfer in the system, it is then shown that the evaporation kinetics obtained experimentally can be divided into three main characteristic phases. The analysis of the hydrodynamic of the films shows that it is essential to take into account the roundeness of the capillary tube inside corners in the modelling of the flow in the films. We show that the phenomenon studied is very sensitive to the degree of roundedness of the tube internal corners, which limits the extension of the films. Modelling of the mass transfer coupled with modelling the film flow lead to a quantitatively satisfactory model of the drying of a square capillary tube.

Introduction : L’évaluation hémodynamique des patients critiques est difficile et l'estimation du débit cardiaque par le clinicien est peu fiable. La chaleur des extrémités est utilisée pour évaluer la perfusion périphérique mais reste très subjective. Un gradient thermique élevé entre la température centrale et la température périphérique a été corrélé à une augmentation des résistances vasculaires systémiques et une diminution du débit cardiaque. L'objectif de cette étude est d'évaluer la relation entre le gradient thermique, obtenu par thermographie infra-rouge (TIR), et le ratio d'extraction d'oxygène (O2ER) chez les enfants de 0 à 18 ans ayant eu une chirurgie cardiaque avec circulation extracorporelle. Méthode : Étude observationnelle prospective portant sur les enfants en post opératoire de chirurgie cardiaque avec une circulation extracorporelle. Le gradient thermique entre la température centrale (cantus interne de l’oeil) et périphérique (hallux) obtenue par TIR a été comparé à l’O2ER concomitant dans les 24 premières heures post opératoires. Résultats : 41 patients ont été inclus. Une corrélation faible a été retrouvée entre le gradient thermique et l’O2ER (r = 0.25 p = 0.016). Cette corrélation augmentait pour des niveaux d’O2ER plus élevés. La spectroscopie par proche infra-rouge (NIRS) cérébrale avait aussi une corrélation significative avec le gradient thermique (r = -28 p=0.001). Seul l’âge influençait significativement le gradient thermique. Les agents vasopresseurs et vasodilatateurs n’exerçaient aucune influence. Conclusion : Une corrélation significative mais faible a été retrouvée entre le gradient thermique par thermographie infrarouge et l’O2ER après une chirurgie cardiaque pédiatrique. Une caméra thermique plus sensible et l’acquisition de mesures plus précises du gradient thermique à partir d’un plus grand effectif pourraient améliorer nos résultats. / Introduction: Hemodynamic assessment of critical patients is challenging, and clinician estimation of cardiac output is unreliable. Extremity heat is used to assess peripheral perfusion but remains highly subjective. A high thermal gradient between core and the peripheral temperature has been correlated with increased systemic vascular resistance and decreased cardiac output. The objective of this study was to evaluate the relationship between the thermal gradient obtained by infrared thermography (IRT) and the oxygen extraction ratio (O2ER) in children aged 0 to 18 years, after cardiac surgery with cardiopulmonary bypass. Method: Prospective observational study of children undergoing postoperative cardiac surgery with cardio-pulmonary bypass. The thermal gradient between the central (inner eye cantus) and peripheral (hallux) temperatures obtained by IRT was compared with concomitant O2ER in the first 24 hours postoperatively. Results: 41 patients were included. A weak correlation was found between the thermal gradient and O2ER (r = 0.25 p = 0.016). This correlation increased for higher O2ER levels. Cerebral near infrared spectroscopy (NIRS) also correlated significantly with thermal gradient (r = -28 p=0.001). Only age significantly influenced the thermal gradient. Vasopressor and vasodilator agents had no influence. Conclusion: A significant but weak correlation was observed between thermal gradient by IRT and O2ER after pediatric cardiac surgery. A more sensitive thermal camera and acquiring of more accurate thermal gradient measurements from a larger population could improve our results.