CF201913994
Modélisation de caloduc oscillant
J-70
Doctorat Doctorat complet
Sciences pour l'Ingénieur
Ile-de-France
Disciplines
Mécanique des Fluides, Energie, Physique Appliquée
Laboratoire
Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC), UMR 3680
Institution d'accueil
Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives
Ecole doctorale
Physique en Ile de france - ED 564

Description

La gestion thermique des composants électroniques embarqués devient un des sujets majeurs limitant leur puissance. Des moyens de transfert de chaleur de plus en plus efficaces sont recherchés. Caloduc oscillant (Pulsating Heat Pipe, PHP) est un seul tube capillaire sans structure interne, plié en méandre et bouclé sur lui-même. Une des extrémités du méandre est en contact thermique avec un point chaud, l’autre, avec un point froid. Le PHP renferme un fluide diphasique sous la forme d’un train de bouchons liquides séparés par des bulles de vapeur. L’oscillation chaotique des bouchons liquides commence spontanément après le début du chauffage. Les bouchons se déplacent entre les zones chaude et froide engendrant l’échange de chaleur non seulement par la chaleur latente, mais aussi convectif. Cela fait du PHP un système simple et très efficace par rapport aux autres types des caloducs [1]. Cependant, contrairement à eux, son fonctionnement est non-stationnaire et donc plus difficile à comprendre et à modéliser. Depuis 2007, le CEA étudie le PHP à la fois expérimentalement et théoriquement [2]. Un code de simulation CASCO (Code Avancé de Simulation de Caloduc Oscillant) est développé au CEA [3,4]. CASCO décrit correctement les régimes principaux de fonctionnement de PHP qui sont les oscillations continues et les oscillations intermittentes. Le premier de ces régimes est très efficace ; la performance de PHP dans ce régime ne dépende que peu de la présence de la gravité terrestre [5]. Dans le régime intermittent, les performances sont moins bonnes et se dégradent en absence de la gravité.

 

L’approche utilisée dans CASCO est unidimensionnelle, ce qui permet de décrire l’interaction des dizaines de bulles de vapeur à l’intérieur du PHP. CASCO est basé sur un modèle simple des films liquides dont l’épaisseur est constante et la longueur est contrôlée par l’évaporation des films [6]. Ce modèle pourtant contredit les données expérimentales récentes obtenues dans le cadre de la thèse de L. Fourgeaud [7-8]. Dans le cadre de ce projet il s’agit d’atteindre trois objectifs. D’abord, il faudra élaborer un modèle de films plus adéquat. Ce nouveau modèle sera étudié dans les géométries les plus simples (PHP monobranche, PHP bi-branche) afin de le valider en comparant avec les données expérimentales existantes. Ce modèle sera utilisé ensuite dans CASCO pour décrire les PHP à branches multiples. Le deuxième objectif de la thèse consiste à étudier la dynamique chaotique des bouchons liquides. Le(a) doctorant(e) étudiera le comportement collectif de bouchons liquides et son impact à la transition dynamique entre les régimes de fonctionnement du PHP. Le troisième objectif est la validation de CASCO par simulation des expériences d’autres groupes de recherche collaborant avec le CEA, notamment ces partenaires du projet Space PHP de l’ESA tels que l’Institut Pprime (ENSMA/Poitiers), Université de Pise (Italie), Université de Brighton (UK)...   Dans le cadre de ce projet, nous profitons de l’absence de la gravité pour augmenter le diamètre du tube (qui restera capillaire) et donc réduire les pertes visqueuses de l’énergie. Le(a) doctorant(e) participera donc dans le projet Space PHP dont le prototype est prévu d’être implémenté sur le plateforme Heat Transfer Host 1 de l’ESA à bord de la Station Spatiale Internationale.

 

Le(a) doctorant(e) sera basé(e) au centre CEA-Saclay, au Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC) au sein du groupe des Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXité (SPHYNX). Le doctorant bénéficiera de l’infrastructure et de l’environnement de recherche de l’Université Paris-Saclay.

Compétences requises

La connaissance de l’hydrodynamique physique ou dynamique non linéaire est nécessaire. La maîtrise des méthodes numériques et de la programmation C++ est souhaitable. La connaissance de Microsoft Visual Studio sera un avantage. Une publication scientifique ou un stage à l'étranger est requis pour les étudiants d'origine étrangère.

Bibliographie

1. Marengo, M. & Nikolayev, V. Pulsating Heat Pipes: Experimental Analysis, Design and Applications, In: Encyclopedia of Two-Phase Heat Transfer and Flow IV, Thome, J. R. (ed.), ISBN: 978-981-3234-36-9, vol. 1, Modeling of Two-Phase Flows and Heat Transfer, World Scientific, 2018, pp. 1 - 62.
2. Nikolayev, V. & Marengo, M. Pulsating Heat Pipes: Basics of Functioning and Numerical Modeling, In: Encyclopedia of Two-Phase Heat Transfer and Flow IV, Thome, J. R. (ed.), ISBN: 978-981-3234-36-9, vol. 1, Modeling of Two-Phase Flows and Heat Transfer, World Scientific, 2018, pp. 63 - 139.
3. Nikolayev, V.S. A Dynamic Film Model of the Pulsating Heat Pipe, J. Heat Transfer, ASME, 2011 Vol. 133 (8), 081504.
4. Nekrashevych, I. & Nikolayev, V. S. Effect of tube heat conduction on the pulsating heat pipe start-up, Appl. Therm. Eng., 2017 vol. 117, 24 – 29.
5. Nekrashevych, I. & Nikolayev, V. S. Pulsating heat pipe simulations: impact of PHP orientation, Proc. 19th Int. Heat Pipe Conf. and 13th Int. Heat Pipe Symp., Pisa, Italy, 2018.
6. Das, S.P., Nikolayev, V.S., Lefevre, F., Pottier, B., Khandekar, S. & Bonjour, J. Thermally induced two-phase oscillating flow inside a capillary tube, Int. J. Heat Mass Transfer, 2010 Vol. 53 (19-20), pp. 3905 – 3913
7. Fourgeaud, L., Ercolani, E., Duplat, J., Gully, P. & Nikolayev, V. S. Evaporation-driven dewetting of a liquid film, Phys. Rev. Fluids, 2016, vol. 1, 041901.
8. Fourgeaud, L., Nikolayev, V. S., Ercolani, E., Duplat, J. & Gully, P. In situ investigation of liquid films in pulsating heat pipe, Appl. Therm. Eng., 2017, vol. 126, 1023 - 1028.

Mots clés

caloduc oscillant, évaporation, condensation, écoulement des films minces, bulle de Taylor, chaos dynamique, simulation numérique

Offre financée

Type de financement
CEA, CNES

Dates

Date limite de candidature 30/04/19

Durée36 mois

Date de démarrage01/10/19

Date de création16/01/19

Langues

Niveau de français requisAucun

Niveau d'anglais requisC2 (maîtrise)

Possibilité de faire sa thèse en anglais

Divers

Frais de scolarité annuels0 € / an

Site web

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