Ebullition sur un fil : effets transitoires
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M.-C. Duluc, G. Defresne, M.X. François
Figure
Objet
La compréhension des mécanismes d'ébullition en régime
transitoire est un enjeu important car ces phénomènes sont souvent
à l'origine de la dégradation du processus de refroidissement,
lorsque, par exemple, une perturbation par essence transitoire,
apparaît au sein du système. Afin de dissocier les mécanismes
intrinsèques au fluide de ceux liés au transfert transitoire dans le
matériau source, l'étude de ces effets a été effectuée
sur une géométrie de type `` fil fin '' qui présente en outre un
intérêt pour la réfrigération des brins supraconducteurs
à haute température critique. Sur un plan fondamental, la très
faible inertie thermique du fil rend l'étude comparable à celle d'un
fluide, initialement dans les conditions de saturation, et soumis à un
échelon de flux généré par une source linéique. On peut
alors, seulement dans ces conditions, accéder aux échelles de temps
caractéristiques de l'ébullition, qui se révèlent être
de l'ordre de la milliseconde.
Description
Le fil (laiton 
=25 
m) est immergé dans un bain à
saturation (azote à la pression atmosphérique, T 
77.3 K). La sollicitation thermique imposée est de type échelon de
flux, de hauteur et de durée variables. La réponse du système
fil-fluide, reflet des conditions d'échange de chaleur entre l'él
ément chauffant et le fluide, est analysée par l'intermédiaire
de la température du fil. Le fil, thermorésistif, est chauffé
par effet Joule et sa température moyenne est déterminée par
l'intermédiaire de sa résistance électrique (Fig. 1). Les trè
s faibles valeurs de la résistance nominale du fil ( 1
), du coefficient de température du bronze (
)
ainsi
que les échelles de temps caractéristiques attendues rendent né
cessaire la mise en 
uvre d'un dispositif de mesure spé
cifique et délicat. Les signaux sont ainsi conditionnés en amont par
des amplificateurs analogiques avec offset. La simultanéité des
acquisitions est par ailleurs assurée à mieux que 50 ns sur les diff
érentes voies par l'utilisation d'échantillonneurs bloqueurs. La proc
édure opératoire, fermeture et ouverture du circuit électrique,
acquisition et traitement des données est automatisée et géré
e par le logiciel labVIEW (Fig. 2).
Résultats et perspectives
Un exemple de résultats est présenté sur la figure 4. La densit
é de flux imposé, (70% du flux critique), conduit à un ré
gime permanent de type ébullition nucléée, en cohérence avec
la caractéristique d'échange stationnaire (Fig. 3). La figure 4
montre que cet état stationnaire, obtenu en quelques dizaines de
millisecondes, est précédé d'une forte surchauffe : aux tous
premiers instants, le transfert de chaleur est assuré par conduction
pure dans la phase liquide. Le système, modélisé comme une
source linéique dissipant un échelon de flux dans un milieu
semi-infini (le liquide), possède une solution analytique [1] en bon
accord avec la détermination expérimentale. La faible efficacité
de ce mode de transfert conduit toutefois à une rapide élévation
de la température du fil. Les temps associés sont trop courts pour
permettre l'apparition de la phase vapeur dans des conditions de tempé
rature de fil comparables à celles obtenues sur la caractéristique d'
échange stationnaire (25 K et 20 K respectivement). Une
fois la phase vapeur apparue, le régime permanent d'ébullition nucl
éée s'établit en quelques dizaines de millisecondes. D'autres
types de comportements transitoires ont été mis en évidence par
variation de la hauteur de flux imposé [2]. Une caractéristique
commune est la dégradation momentanée ou définitive du transfert
de chaleur associée à une perturbation de type échelon de flux.
Parmi les points essentiels à préciser par la suite, le plus
important semble être l'identification des conditions d'apparition de la
phase vapeur.
Références
[1] H.S. Carslaw, J.C. Jaeger, Conduction of heat
in solids, Clarendon
Press, Oxford, Second edition, 1959.
[2] M.-C. Duluc, G. Defresne, M.X. François, `` Régimes transitoires
d'ébullition sur un fil '', Congrès SFT, Arcachon, 17-19 mai 1999,
pp. 473-478.
