Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels




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Sujet de thèse : Simulation numérique de l’ébullition nucléée :...

Description de la problématique de recherche :

Le changement de phase permet des échanges de chaleur importants grâce à l’exploitation de la chaleur latente. Il est communément utilisé dans un grand nombre d’applications, des machines frigorifiques individuelles jusqu’aux centrales nucléaires à eau bouillante. Cependant le transfert de chaleur dépend fortement de la dynamique microscopique de chaque bulle, pilotée par le comportement de la ligne triple (lieu de contact des trois phases : solide, liquide et vapeur), à son tour influencé par l’angle de contact. Des expériences récentes menées au Laboratoire LEGI ont montré qu’il est possible d’accroître le taux de transfert de chaleur à travers une opportune répartition spatiale de surfaces hydrophiles et hydrophobes. Mais les détails du comportement de la ligne triple sont difficilement accessibles expérimentalement (à cause de la dynamique rapide, de la petite échelle et de l’opacité d’un fluide en ébullition). Un consensus n’existe pas d’ailleurs sur certains mécanismes clés de l’ébullition nucléée, comme la dépendance de la taille de la bulle (au moment du détachement de la paroi) à la valeur de l’angle de contact, même dans le cas de propriétés de mouillage uniformes.
La simulation numérique est un outil adapté pour permettre l’étude du comportement microscopique des bulles de vapeur grossissant sur – et se détachant de – la paroi chauffée, qui permet d’avoir accès aux petites échelles spatiales et temporelles. Un effort de modélisation est néanmoins nécessaire pour la description de la dynamique à l’échelle nanométrique aux environs de la ligne triple, échelle trop faible pour être capturée par une simulation à la taille de la bulle.
En conclusion, il s’agit d’un problème multi-échelle de couplage multi-physique (mécanique des fluides couplée aux transferts de chaleur à travers la dynamique des interfaces) aujourd’hui mal compris. Toute avancée dans la compréhension de ce phénomène est susceptible d’avoir des retombées technologiques positives dans les nombreux procédés d’échange de chaleur par changement de phase, et donc dans la diminution de la demande énergétique humaine.