Étude analytique et expérimentale des transferts de masse et de chaleur dans les caloducs oscillants pour des applications de vols hors gravité

Résumé :

L'intégration de dispositifs électroniques de haute puissance et dissipant des centaines de watts par centimètre carré au sein des systèmes spatiaux provoque une hausse significative des besoins en systèmes de refroidissement de haute performance, légers et efficaces. En raison de ces exigences spécifiques, l’utilisation des systèmes de refroidissement diphasiques représentent un grand intérêt pour ces applications spatiales. Les caloducs oscillants, dispositifs passifs et simples de transfert de chaleur diphasique sont devenus une excellente solution pour les systèmes de management thermique spatiaux. Actuellement, le fonctionnement de ce type d'échangeurs de chaleur n'est pas entièrement étudié, notamment en conditions de microgravité. C'est pourquoi, dans le cadre des projets successifs INWIP et TOPDESS de l'ESA, l'évaluation des performances des caloducs oscillants plats et des spécificités opérationnelles sous différentes conditions de gravité a été défini comme principal objectif du présent travail de thèse.
Les études expérimentales menées au cours de ce travail ont porté sur la caractérisation thermique des différents caloducs oscillants testés au sol et au cours de quatre campagnes de vols paraboliques de l'ESA. Des études paramétriques des performances de ces systèmes ont été effectuées en configuration verticale et horizontale, en utilisant différents fluides de travail (mélanges alcool-eau, fluides remouillants ou solutions de surfactant), différentes températures de condenseur, plusieurs concentrations de gaz non condensables et différents niveaux de gravité (terrestre, martien, lunaire, hyper et microgravité). L'amélioration des performances, parfois inattendues, ont été observées sous certaines conditions opératoires. Les études analytiques de l'écoulement diphasique dans le caloduc oscillant, concernant notamment le passage de l'arrêt de fonctionnement aux oscillations de forte amplitude (« phases de réactivation ») ont été réalisées grâce à des visualisations haute fréquence. Pour finir, les critères de transition d'écoulement du régime bulles/bouchons au régime semi-annulaire/annulaire a été étudiée dans le cadre d’une l'analyse non-dimensionnelle des principaux paramètres de l’écoulement.