Introduction

Avant de rentrer dans le contexte de notre problème, il est nécessaire au lecteur d'avoir un aperçu général sur les transferts de chaleur avec changement de phase. Nous pouvons allons donc ici effectuer un bref rappel sur les différents régimes d'ébullition qui existent avant de nous attarder à notre problème.

 

  1. Régimes d'ébullition

La figure suivante illustre l'existence de différents régimes d'ébullition. Cette courbe d'ébullition issue de l'expérience de Drew & Müller montre l'évolution du flux de chaleur sortant d'une plaque plane horizontale lorsque l'on fait varier le paramètre $Tp-T_{sat}$ avec $T_p$ la température de la paroi et $T_{sat}$ la température de saturation du liquide qui est fixe pour un problème donné. C'est ainsi la température de la paroi que l'on fait varier.  

 

Source : cours "Transfert  changements de phase" , Catherine COLIN

Cette courbe met en évidence l'existence de différents régimes d'ébullition que l'on va expliquer ici : 

  • de A à C : régime de convection naturelle. Dans ce régime il n'y pas qu'une seule phase, le liquide. On observe la présence de cellules convectives qui sont le moteur des transferts thermiques ;
  • de D à F : régime d'ébullition nucléée. L'apparition des bulles fait passer le flux de C à D et ce à température de paroi fixée.  Dans ce régime le système est diphasique. La valeur du paramètre $Tp-T_{sat}$ détermine l'état du système: présence de bulles isolées ou de colonnes de vapeurs lorsque la température de paroi augmente  ;
  • le point F correspond à la crise d'ébullition. Il s'agit d'un maximum  local de flux de chaleur au delà duquel le flux de chaleur diminue brusquement ;
  • le tronçon FG est un régime de transition et au point G on a un minimum local à partir duquel l'ébullition est en film ;
  • enfin à partir de G et jusqu'à H on se trouve en régime d'ébullition en film. Ce régime est caractérisé par un film de vapeur fin et continu entre la paroi et le liquide.
     

Dans le cadre de ce projet, nous nous intéressons exclusivement au régime d'ébullition nucléée. En effet chaque régime possède des modélisations qui lui sont spécifiques avec différentes problématiques industrielles associées. 

  1. Régime d'ébullition nucléée​.

Dans ce régime on a apparition de bulles qui jouent un rôle important dans le transfert de chaleur car en plus du régime de convection naturelle, le mouvement des bulles fait apparaître d'autres flux de chaleur. Les principaux paramètres qui vont nous intéresser dans ce projet concernant le régime d'ébullition nucléée sont les suivants :

  • la densité de site de nucléations $Na$. Les bulles se forment sur des sites de nucléations qui dépendent du matériau (rugosité de la paroi). Plus on augmente la température, plus grand est le nombre de sites qui s'activent ;

  • La fréquence de détachement des bulles $f$. Il s'agit de la fréquence à la laquelle les bulles se forment lorsque l'on se place sur un site de nucléation ;

  • enfin le diamètre de détachement $r_{d}$ est un paramètre également important car il dépend de la gravité.

Ces paramètres doivent être déterminés soit à partir de formules analytiques soit de manière expérimentale. Il est dans tous les cas nécessaire de les déterminer car ils joueront un rôle direct dans la modélisation des flux de chaleur du régime d'ébullition nucléée. Une modélisation de ce régime consiste à diviser la contribution du flux de chaleur en trois parties : 

  • un flux d'échange par convection naturelle entre les sites de nucléations, c'est à dire aux endroits où la bulle n'influence pas le transfert par convection naturelle ;
  • un flux nécessaire à la vaporisation de la microcouche située entre la bulle qui se forme (avant détachement) et la paroi. Il s'agit simplement de l’énergie nécessaire à transmettre pour vaporiser cette microcouche ;
  • ​un flux de conduction instationnaire qui apparaît lorsqu'une bulle se détache et que la paroi chauffe le fluide froid.

Il va ainsi falloir modéliser ces flux et regarder leur évolution pour les différentes gravités. Ces problématiques feront l'objet des parties qui suivent.