Experimental two-phase fluid flow in microchannels

Résumé :
Les micro ou mini dissipateurs thermiques sont utilisés dans les micro technologies pour leurs très hautes performances de refroidissement. Ces dissipateurs thermiques ne sont cependant as encore suffisamment étudiés. Pour cette raison, une étude expérimentale des écoulements biphasiques a été réalisée sur deux tubes à section circulaire (D = 0.509 et 0.790 mm) et pour deux fluides différents : R-134a et R-245fa.

Une méthode de mesure optique a été appliquée afin de caractériser les écoulements liquidevapeur en microtubes, en déterminant la fréquence des bulles quittant un micro évaporateur, la vitesse de coalescence de ces bulles, leur longueur ainsi que leur vitesse moyenne. Quatre principaux régimes d'écoulement (écoulement à bulles, écoulement à bouchons, écoulement semi-annulaire et écoulement annulaire) avec leurs transitions (écoulement à bulles/bouchons et écoulement à bouchons/semi-annulaire) ont été observés. Une nouvelle forme de carte d'écoulement a été développée. La première zone correspond au régime d'écoulement à bulles isolées qui inclut l'écoulement à bulles et/ou l'écoulement à bouchons. Ce régime est présent jusqu'au début de la coalescence. La seconde zone est le régime de coalescence des bulles. Ce régime est présent jusqu'à la fin de la coalescence. La troisième zone est la zone annulaire, limitée par la quatrième zone qui est le début du flux de chaleur critique. Cette nouvelle carte d'écoulement peut être utilisée dans des modèles de transfert de chaleur et pour le dimensionnement de micro évaporateurs.

La vitesse de la vapeur, ou indirectement le taux de vide, a été mesurée. Pour le R-134a, l'écoulement peut être considéré comme homogène (ou proche de l'homogène). Pour le R-245fa, des instabilités ont été observées et les résultats ont montré des vitesses de bulles de vapeur inférieures à celles d'un écoulement homogène.

Les pertes de charge par frottements ont été mesurées pour un grand intervalle de conditions expérimentales, en considérant les deux dimensions de tubes et les deux fluides. La variation du coefficient de frottement biphasique en fonction du nombre de Reynolds biphasique permet de distinguer trois régimes: un régime laminaire pour ReTP < 2000, un régime de transition pour 2000 ≤ ReTP ≤ 8000 et un régime turbulent pour ReTP ≥ 8000. La corrélation de Müller-Steinhagen prédit correctement l'écoulement biphasique en régime turbulent. De nouvelles valeurs du flux de chaleur critique ont été mesurées avec le dispositif expérimental. Une nouvelle corrélation basée sur celle de Katto-Ohno a été développée pour prédire le flux de chaleur critique en microtubes circulaires uniformément chauffés. De plus, une nouvelle courbe de transition entre le régime annulaire et la zone d'assèchement est proposée. Les résultats obtenus peuvent être directement utilisés pour développer un modèle de transfert de chaleur et de pertes de charge en microcanaux ainsi que pour dimensionner les micro dissipateurs thermiques.