Figure

Objet

Le but de ce travail est de simuler numériquement les échanges thermiques en régime transitoire sur la surface d'une plaque chauffante horizontale, refroidie par un fluide en ébullition. Le calcul couplé de la diffusion thermique dans la plaque, du grossissement et du dessèchement de la base des bulles de vapeur permet de déterminer l'évolution des flux thermiques sur l'interface solide - fluide. Ce travail est une continuation des recherches entamées en 1986 en collaboration avec D. Gentile de l'ENSTA à Palaiseau.

Contenu

Nous utilisons le modèle de grossissement de la bulle dit à deux vitesses. La première est celle d'augmentation du rayon de la bulle en fonction de la production de vapeur sur sa surface. Cette approche suppose que la bulle reste sphérique. La deuxième vitesse est celle de dessèchement de la base de la bulle sur la surface de la plaque chauffante. Elle est fonction de la température de la surface de la plaque.

Nous introduisons la notion d'une cellule élémentaire comportant un seul site de nucléation, auquel on fait correspondre une surface (dx*dx) de la plaque chauffante. La solution transitoire de l'équation de diffusion de la chaleur 3D dans la plaque soumise à un flux imposé dépend des conditions aux limites sur l'interface fluide - solide. Celles-ci sont évolutives et dépendent d'un phénomène cyclique de naissance et de décrochement des bulles. Sur la partie desséchée de la plaque on impose le flux nul, et sur la partie mouillée le flux correspondant aux échanges convectifs solide - fluide. Le grossissement de la bulle dépend à son tour de la distribution des températures sur la surface du solide, ce qui implique un processus itératif pour chaque pas de temps. Les valeurs des flux entrant réellement dans le fluide sont obtenues par l'intégration spatio-temporelle des conditions aux limites sur interface fluide - solide - vapeur.

Situation

Plusieurs simulations ont mis en évidence la similitude d'évolution des flux entrant dans le fluide avec les courbes cassiques de la crise d'ébullition. Nous avons constaté une forte influence des paramètres du modèle tels que le flux entrant, le matériau et l'épaisseur de la plaque et la densité de population des bulles. Dans les simulations nous avons retenu l'eau comme agent pour lequel on dispose de données expérimentales.

La diminution de l'épaisseur de la plaque (Fig. 1) entraîne l'augmentation du flux maximal. On observe le même effet pour les conductivités croissantes de la plaque (Fig. 3), mais pour une différence entre la température de la paroi et du fluide (Tw-Tl) beaucoup plus élevée. L'augmentation de la densité de bulles rend le phénomène de la crise d'ébullition plus sensible (Fig. 2 et 4) à l'écart des températures (Tw-Tl).

Avec ce modèle nous retrouvons un bon accord avec les données disponibles dans la bibliographie en ce qui concerne les valeurs maximales des flux. L'intégration spatio-temporelle des flux entrant réellement dans le fluide permet reconstituer la courbe d'ébullition dynamique, dans un environnement réaliste.

Références

(1) J. Pakleza, D. Gentile : "A numerical simulation of the boiling crisis phenomenon", Transactions of 8th International Heat Transfert Conference, San Francisco, USA, 17-22.08.1986.

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