As the demand for high performance small electronic devices has increased, heat removal from these devices for space use is approaching critical limits. A heat pipe is a promising device to enhance the heat removal performance due to the phase change phenomena for space thermal management system. Even though a heat pipe has a big potential to remove the thermal energy from a high heat flux source, the heat removal performance of heat pipes cannot be predicted well since the first principle of evaporation has not been established. The purpose of this study is to establish a method to apply the evaporation model based on the statistical rate theory for engineering application including vapor-liquid-structure intermolecular effect. The evaporation model is applied to the heat pipe performance analysis through a pressure balance and an energy balance in the loop heat pipe.

Il est bien connu que l'évaporation d'eau joue un rôle essentiel dans l'interaction entre le sol et l'atmosphère. Pendant le processus d'évaporation, le comportement thermo-hydro-mécanique des sols change, engendrant ainsi des problèmes préoccupants. Ceci peut concerner différents domaines comme l'agronomie, l'hydrologie, la science des sols, la géotechnique, etc. Par conséquent, il est essentiel d'étudier les mécanismes d'évaporation de façon approfondie. Cette étude porte sur les mécanismes d'évaporation dans des conditions atmosphériques contrôlées. Le sable de Fontainebleau et l'argile d'Hércourt utilisée pour la construction du remblai expérimental dans le cadre du projet ANR TerDOUEST (Terrassements Durables - Ouvrages en Sols Traités, 2008-2012) ont été étudiés à cet effet. Une chambre environnementale (900 mm de haut, 800 mm de large et 1000 mm de long) équipée de différents capteurs a d'abord été développée, permettant un suivi complet des paramètres concernant l'atmosphère et le sol au cours d'évaporation. Quatre essais expérimentaux ont été réalisés sur le sable de Fontainebleau compacté à une densité sèche de 1,70 Mg/m3, avec une nappe phréatique constante au fond de l'échantillon, et sous différentes conditions atmosphériques (différentes valeurs de l'humidité relative de l'air, de la température et du débit d'air). La pertinence du système a été mise en évidence par la bonne qualité des résultats. La température de l'air à l'intérieur de la chambre a été trouvée affectée par la température du tube de chauffage, le débit d'air et l'évaporation d'eau; la température du sol est fortement affectée par les conditions atmosphériques et l'état d'avancement de l'évaporation ; l'humidité relative dans la chambre diminue au cours du temps et son évolution peut être considérée comme un indicateur du processus d' évaporation ; la teneur en eau volumique dans la zone proche de la surface est fortement influencée par le processus d'évaporation et présente une relation linéaire avec la profondeur ; la succion du sol diminue avec la profondeur et augmente au fil du temps ; le taux d'évaporation est fortement affecté par les conditions de l'air en particulier dans la phase initiale de vitesse d'évaporation constante. Après les essais sur le sable de Fontainebleau, l'échantillon de l'argile d'Hércourt compactée à une densité sèche de 1,40 Mg/m3 a été soumis à une infiltration d'eau afin d'étudier ses propriétés hydrauliques. Pour obtenir un meilleur aperçu du mécanisme d'évaporation pour l'argile, deux essais d'évaporation sur l'argile d'Hércourt compactée avec une nappe phréatique constante au fond de l'échantillon ont été effectuées sous des conditions atmosphériques contrôlées. Les résultats permettent de comprendre les mécanismes d'évaporation en cas de fissuration due à la dessiccation. En outre, afin d'étudier les mécanismes d'évaporation potentiels, des essais avec une couche d'eau libre ont été également réalisés en faisant varier la vitesse du vent et la température de l'air. L'initiation et la propagation de fissures de dessiccation pendant le processus d'évaporation et son effet sur l'évaporation ont également été étudiés par la technique de traitement d'image. En termes de modélisation, le taux d'évaporation potentiel a été modélisé à travers l'évaluation des modèles existants et des modèles combinés. Il apparait que le modèle développé par Ta (2009) est le plus approprié. Le taux d'évaporation réelle depuis le sable a été ensuite analysé. Il semble important de considérer l'avancement du front sec pendant le processus d'évaporation pour les sols sableux. Pour l'argile d'Héricourt, une bonne prévision a été également obtenue en utilisant un modèle qui tient compte de l'effet des fissures de dessiccation / As a well-known phenomenon, soil water evaporation plays an important role in the interaction between soil and atmosphere. Water evaporates during this process resulting in changes of soil thermo-hydro-mechanical behavior and in turn causing problems in different domains such as agronomy, hydrology, soil science, geotechnical engineering, etc. Therefore, it is essential to investigate the soil water evaporation mechanisms in depth.This study deals with the soil water evaporation mechanisms under controlled atmospheric conditions. The Fontainebleau sand and the Hércourt clay used for the construction of the experimental embankment with the ANR project TerDOUEST (Terrassements Durables - Ouvrages en Sols Traités, 2008 - 2012) were used in this investigation. A large-scale environmental chamber system (900 mm high, 800 mm large and 1000 mm long) equipped with various sensors was firstly developed, allowing a full monitoring of both atmospheric and soil parameters during the evaporation process. Four experimental tests were carried out on the Fontainebleau sand compacted at 1.70 Mg/m3 dry density with a steady water table at soil bottom under different atmospheric conditions (different values of air relative humidity, temperature and air flow rate). The performance of the environmental chamber system in investigating soil water evaporation was evidenced by the quality and the relevance of results. The air temperature inside the chamber was found to be affected by the heating tube temperature, the air flow rate and the soil water evaporation process; the soil temperature was strongly affected by the air conditions and the evaporation progress; the relative humidity in the chamber was decreasing during the evaporation progress and its evolution could be considered as an indicator of the evaporation progress; the volumetric water content in the near-surface zone was strongly affected by the evaporation process and exhibited a linear relationship with depth; the soil suction was decreasing over depth and increasing over time; the evaporation rate was strongly affected by the air conditions especially at the initial constant evaporation rate stage. After the tests on the Fontainebleau sand, the Hércourt clay sample compacted at 1.40 Mg/m3 dry density was subjected to an infiltration experiment for investigating its hydraulic properties. To get a better insight into the water evaporation mechanism for clay, two compacted Hércourt clay evaporation tests with a steady water table at bottom were carried out under controlled atmospheric conditions. The results allow understanding the evaporation mechanisms in case of desiccation cracks. Furthermore, in order to investigate the potential evaporation mechanisms, tests with a free water layer was also conducted with varying wind speed and air temperature. The initiation and propagation of desiccation cracking during the evaporation process and its effect on water evaporation were also investigated by the digital image processing technique. In terms of modeling, the potential evaporation rate was first modeled through evaluation of the existing models and the combined models. It reveals that the model developed by Ta (2009) is the most appropriate one. The actual evaporation rate for sand was then analyzed. It appears important to consider the progress of the dry front during the evaporation process for sandy soils. For the Héricourt clay, good simulation was also obtained using a model that accounts for the effect of desiccations cracks

[EN] This last few years, the trend in diesel engines has been to use different kinds of fuels to identify their influence and behaviour on the emissions and performance. Among the wide variety of fuels employed are the so called Primary Reference Fuels (PRFs), which represent the behaviour of diesel and gasoline in terms of ignition properties, as they are located at both ends of the octane rating scale and also have very different cetane numbers. One of the disadvantages of using pure gasoline or diesel-gasoline blends in diesel engines is the time needed for the mixture to ignite and to completely burn the fuel. This generally requires working with partial loads or with premixed charges. In order to isolate the fuel effects on the spray processes and to be able to study the characteristic parameters of ignition delay time, lift-off length, vapour and liquid penetration, among others; different experiments under parametric variations of diesel like conditions have been performed. The tests were performed under inert and reactive conditions in a 2-stroke optical engine and a constant-pressure flow (CPF) high-pressure high-temperature vessel using single-hole nozzles, while diverse optical techniques were being employed. To study the influence of the fuel properties, different single-component fuels were employed as well as binary blends and a six-component diesel surrogate, which was also compared to conventional diesel. Additionally, the results have been contrasted with a one-dimensional model in order to further explain the values and trends found. The results presented a strong dependency on the fuel properties for the tests performed under inert and reactive conditions. The difference in physical properties of n-decane and n-hexadecane showed an almost linear reduction of the stabilized liquid penetration down to approximately 60% under some conditions. Additionally, due to the composition of the surrogate fuel, pure n-hexadecane was demonstrated to have almost identical evaporation characteristics, hence proving itself as a good candidate for a single-component surrogate of diesel fuel. In a similar way, the chemical properties of the PRFs n-heptane and iso-octane also proved to be influential on the spray development and radiation emitted. Ignition delay values up to one order of magnitude larger where obtained for both extremes of the blend range, as well as lift-off lengths up to three times longer. The radiation emitted by the soot incandescence presented the highest variations, as some conditions showed a reduction of almost four orders of magnitude among the blend range. Moreover, some cases did not present any radiation corresponding to the soot, and increasing the sensitivity of the camera only caused the chemiluminescence of the OH* radical to be captured. On a different way, the stabilized flame length determined also by the soot radiation did not present much variation as the fuel properties or the air temperature were changed; in fact, the only noticeable differences were caused by the changes in the oxygen composition of the ambient air. In conclusion, the fuel properties proved to have a significant effect on the spray processes. Lighter fuels favoured the evaporation of the spray under a range of conditions, while fuels with lower octane numbers ignited sooner and closer to the spray tip but with more soot luminosity measured. / [ES] Estos últimos años, la tendencia en motores diesel ha sido la de emplear distintos tipos de combustibles para identificar su influencia y comportamiento sobre las emisiones y rendimiento. Dentro de la amplia variedad de combustibles empleados están los llamados combustibles de referencia (PRFs ingl. Primary Reference Fuels), los cuales representan el comportamiento del diesel y la gasolina en lo que respecta a propiedades de encendido, ya que se encuentran en ambos extremos de la escala del número de octano y también poseen números de cetano muy distintos. Una de las desventajas de utilizar gasolina pura o mezclas de diesel-gasolina en motores diesel es el tiempo que toma la mezcla en encender y quemar completamente el combustible. Esto generalmente requiere trabajar con cargas parciales o cargas premezcladas. Para poder aislar los efectos del combustibles sobre los procesos de un chorro y que sea capaz estudiar los parámetros característicos de tiempo de retraso de encendido, longitud de despegue de llama, penetración de líquido y vapor, entre otros, se han realizado distintos experimentos bajo variaciones paramétricas de condiciones de motor diesel. Los ensayos han sido realizados bajo condiciones inertes y reactivas en un motor óptico de dos tiempos y una instalación de alta presión y alta temperatura de flujo continuo a presión constante (CPF ingl. Constant-Pressure Flow) empleando toberas mono-orificio, con aplicación de diversas técnicas ópticas. Para estudiar la influencia de las propiedades de los combustibles se utilizaron distintos mono-componentes, así como mezclas binarias y un sustituto de diesel conformado por seis componentes, el cual fuel comparado con diesel convencional. Adicionalmente, los resultados han sido contrastados con un modelo unidimensional para ayudar a explicar los valores y tendencias encontrados. Los resultados presentaron una fuerte dependencia de las propiedades de los combustibles en los ensayos realizados bajo condiciones inertes y reactivas. La diferencia entre las propiedades físicas del n-decano y n-hexadecano mostraron una reducción casi lineal sobre la longitud líquida estabilizada hasta aproximadamente un 60% bajo ciertas condiciones. Adicionalmente, debido a la composición del combustible de sustitución, el n-hexadecano puro demostró tener características de evaporación prácticamente idénticas, probándose a sí mismo como un buen candidato para ser un sustituto mono-componente del diesel convencional. De una manera similar, las propiedades químicas de los PRFs n-heptano e iso-octano también probaron tener influencia sobre el desarrollo del chorro y radiación emitida. Se obtuvieron valores de tiempo de retraso con diferencias de hasta un orden de magnitud entre ambos extremos del rango de las mezclas, así como longitudes de despegue de llama hasta tres veces más largas. La radiación emitida por la incandescencia del hollín presentó las variaciones más altas, ya que algunas condiciones mostraron reducciones de hasta cuatro órdenes de magnitud dentro del rango de mezclas. Es más, algunos casos no presentaron radiación correspondiente al hollín, e incrementar la sensibilidad de la cámara solo ocasionó que la quimioluminiscencia del radical OH* sea detectada. Por otro lado, la longitud estabilizada de llama calculada mediante la radiación del hollín no presentó mucha variación respecto a las propiedades del combustible o la temperatura del aire. De hecho, la única diferencia apreciable fue causada por los cambios en la composición del oxígeno del aire ambiente. En conclusión, las propiedades de los combustibles demostraron tener un efecto significativo en los procesos de un chorro diesel. Los combustibles más ligeros favorecieron la evaporación del chorro en un rango de condiciones, mientras que combustibles con números de octano más bajos encendieron más pronto y cerca de la tobera pero con mayor luminosidad del hollín medida. / [CAT] En aquests últims anys, la tendència en motors Diesel ha estat la d'emprar diferents tipus de combustibles per a identificar la seva influència i comportament sobre les emissions i rendiment. Dintre de l'àmplia varietat de combustibles emprats estan els anomenats combustibles de referència (PRFs angl. Primary Reference Fuels), els quals representen el comportament del dièsel i la gasolina pel que fa a propietats d'encesa, ja que es troben en ambdós extrems de l'escala del nombre d'octà i també posseeixen nombres de cetà molt diferents. Un dels desavantatges d'utilitzar benzina pura o barreges de Diesel-benzina en motors Diesel és el temps que pren la barreja a encendre i cremar completament el combustible. Això generalment requereix treballar amb càrregues parcials o càrregues premesclades. Per a poder aïllar els efectes del combustibles sobre els processos d'un doll i que sigui capaç estudiar els paràmetres característics de de temps de retard d'encesa, longitud d'enlairament de flama, penetració de líquid i vapor, entre altres, s'han estudiat diferents experiments sota variacions paramètriques de condicions de motor Diesel. Els assajos han estat realitzats sota condicions inertes i reactives en un motor de dos temps i una instal·lació d'alta pressió i alta temperatura de flux continu a pressió constant (CPF angl. Constant-Pressure Flow) emprant toberes mono-orifici, amb aplicació de diverses tècniques òptiques. Per a estudiar la influència de les propietats dels combustibles, van ser utilitzats distints mono-components, així com barreges binàries i un substitut de Diesel conformat per sis components, el qual fuel comparat amb Diesel convencional. Addicionalment, els resultats han estat contrastats amb un model unidimensional per a ajudar a explicar els valors i tendències trobats. Els resultats van presentar una forta dependència de les propietats dels combustibles en els assajos realitzats sota condicions inertes i reactives. La diferència entre les propietats físiques del n-decà i n-hexadecà van mostrar una reducció gairebé lineal sobre la longitud líquida estabilitzada fins a aproximadament un 60% sota certes condicions. Addicionalment, degut a la composició del combustible de substitució, el n-hexadecà pur va demostrar ser tindre característiques d'evaporació pràcticament idèntiques a aquell, demostrant ser un bon candidat per a ser un substitut mono-component del dièsel convencional. D'una manera similar, les propietats químiques dels PRFs n-heptà i iso-octà també provaren tindre influència sobre el desenvolupament del doll i la radiació emesa. Es van obtenir valors de temps de retard amb diferències de fins a un ordre de magnitud entre ambdós extrems del rang de les barreges, així com longituds d'enlairament de flama fins a tres vegades més llargues. La radiació emesa per la incandescència del sutge va presentar les variacions més grans, ja que algunes condicions van mostrar reduccions de fins a quatre ordres de magnitud dintre del rang de barreges. Encara més, alguns casos no van presentar radiació corresponent al sutge, i incrementar la sensibilitat de la càmera solament va ocasionar que la quimioluminiscència del radical OH* sigui detectada. D'altra banda, la longitud estabilitzada de flama calculada mitjançant la radiació del sutge no va presentar molta variació respecte a les propietats del combustible o la temperatura del aire. De fet, la única diferència apreciable va ser causada pels canvis en la composició del oxigen de l'aire ambient. En conclusió, les propietats dels combustibles van demostrar tenir un efecte significatiu en els processos d'un doll dièsel. Els combustibles més lleugers van afavorir l'evaporació del doll en un rang de condicions, mentres que els combustibles amb nombre d'octà més baixos van prendre més aviat i prop de la tovera però amb més lluminositat del sutge mesurat. / Vera-Tudela Fajardo, WM. (2015). An experimental study of the effects of fuel properties on diesel spray processes using blends of single-component fuels [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/58865 / TESIS

Lors d’essais de feux d’hydrocarbures liquides dans le dispositif DIVA de l’IRSN, un phénomène oscillatoire basse-fréquence (BF), a été observé. Ce phénomène se manifeste par des fluctuations importantes de la pression dans le local, qui peuvent conduire à une perte de confinement et ainsi favoriser la propagation du feu et le rejet de polluants au-delà du local. Il s’accompagne de déplacements intermittents de la flamme hors du bac. L’étude fine de ce phénomène oscillatoire a tout d’abord consisté à concevoir une maquette à l’échelle 1:4 du dispositif DIVA dans lequel nous avons fait varier différents paramètres. L’analyse des résultats obtenus nous a permis d’identifier différents régimes de combustion, de décrire les mécanismes responsables de l’apparition des oscillations BF et de caractériser les propriétés de ces oscillations (fréquence et amplitude). L’occurrence et la persistance des oscillations BF dépendent essentiellement de l’équilibre, plus ou moins précaire, entre la quantité d’air disponible pour la combustion et le débit d’évaporation du combustible résultant des flux thermiques reçus à sa surface. Une étude numérique exploratoire utilisant le code CFD SAFIR a été ensuite conduite en utilisant le débit d’évaporation mesuré expérimentalement, puis en le calculant à l’aide d’un modèle d’évaporation. Si le code ne permet pas de décrire correctement le déplacement de la flamme hors du bac, il reproduit de façon satisfaisante le comportement oscillatoire BF du feu, en particulier sa fréquence dominante. / During liquid hydrocarbon fire tests in the DIVA device of IRSN, a low-frequency (LF) oscillatory phenomenon, was observed. This phenomenon manifests itself by large variations of the average pressure in the room, which can lead to a loss of confinement and thus promote the spread of fire and the release of pollutants beyond the local. It is accompanied by intermittent displacements of the flame outside the fuel pan. The fine study of this phenomenon consisted in designing a 1:4 scale model of the DIVA device, allowing us to carry out a very large number of tests, varying some parameters. The analysis of the results obtained allowed us to identify different combustion regimes, to describe the mechanisms responsible for the appearance of the LF oscillations, and to characterize the properties of these oscillations (frequency and amplitude). The occurrence and persistence of LF oscillations essentially depend on the precarious equilibrium between the supply of fresh air and the supply of fuel vapors which results from the heat flux received at its surface. An exploratory numerical study using the CFD code SAFIR was then conducted using both the experimentally measured evaporation rate and that calculated using an evaporation model. The model does not correctly describe the displacements of the flame outside the fuel pan. However, it satisfactorily reproduces the LF oscillatory fire behavior, especially its dominant frequency.

Droplets as precursor are extensively applied in diverse fields of science and engineering. Various contributions are provided previously towards analysis of single phase and multi-phase droplets of single and multiple components. This thesis describes modelling of multi-phase (nano fluid) droplet vaporization. The evaporation of liquid phase along with migration of dispersed particles in two-dimensional plane within droplet is detailed using the governing transport equations along with the appropriate boundary and interface conditions. The evaporation model is incorporated with aggregate kinetics to study agglomeration among nano silica particles in base water. Agglomeration model based on population balance approach is used to track down the aggregation kinetics of nano particles in the droplet. With the simulated model it is able to predict different types of final structure of the aggregates formed as observed in experimental results available in literature. High spatial resolution in terms of agglomeration dynamics is achieved using current model. Comparison based study of aggregation dynamics is done by heating droplet in convective environment as well as with radiations and using different combination of heating and physical parameters. The effect of internal flow field is also analysed with comparative study using levitation and without levitation individually. For levitation, droplet is stabilized in an acoustic standing wave. It is also attempted to study the transformation of cerium nitrate to ceria in droplets when heated under different environmental conditions. Reaction kinetics based on modified rate equation is modelled along with vaporization in aqueous cerium nitrate droplet. The thermo physical changes within the droplet along with dissociation reaction is analysed under different modes of heating. The chemical conversion of cerium nitrate to ceria during the process is predicted using Kramers' reaction velocity equation in a modified form. The model is able to explain the kinetics behind formation of ceria within droplet at low temperatures. Transformation of chemical species is observed to be influenced by temperature and configuration of the system. Reaction based model along with CFD (computational fluid dynamics) simulation within the droplet is able to determine the rate of chemical dissociation of species and predict formation of ceria within the droplet. The prediction shows good agreement with experimental data which are obtained from literature.