Contribution à étude hydrodynamique d’un écoulement de Taylor et le transfert de chaleur associé dans les microcanaux

Abstract

Les dispositifs microfluidiques ont fait l'objet d'une attention particulière dans les domaines de la gestion thermique. Ces dispositifs garantissent un contrôle précis de l'écoulement des fluides et offrent de multiples avantages pour un transfert de chaleur et une gestion thermique efficaces. Parmi les applications des dispositifs microfluidiques figurent le refroidissement électronique, les échangeurs de chaleur à micro-échelle et les microréacteurs. Plusieurs études numériques et expérimentales ont été rapportées dans la littérature concernant l'écoulement monophasique dans les microcanaux et son impact sur le transfert de chaleur. Néanmoins, les études consacrées à l'application de l'écoulement diphasique, en particulier de l'écoulement de Taylor, au transfert de chaleur sont encore limitées. L'écoulement de Taylor est une dispersion périodique de gouttelettes ou de bouchons d'un liquide dans une phase porteuse (également appelée phase continue). Selon la littérature, ce type d'écoulement est plus efficace pour le transfert de chaleur qu'un écoulement monophasique. Il est donc impératif d'acquérir des connaissances sur ce type d'écoulement et de comprendre son comportement dans les microcanaux rectangulaires et carrés. Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur la compréhension de l'écoulement des fluides et du comportement du transfert de chaleur de l'écoulement de gouttelettes de Taylor sans changement de phase dans des microcanaux rectangulaires en utilisant la modélisation de la dynamique des fluides numérique (CFD). Dans cette étude, nous avons effectué des simulations numériques pour étudier l'hydrodynamique et le transfert de chaleur de l'écoulement de Taylor dans des microcanaux. Des simulations tridimensionnelles ont été réalisées à l'aide du logiciel commercial ANSYS Fluent, avec l'interface entre les deux phases capturée à l'aide de la méthode du volume de fluide (VOF). L'effet de certains paramètres critiques, à savoir le rapport de débit, le rapport de viscosité et le nombre Ca, sur l'hydrodynamique de l'écoulement de Taylor a été examiné. Une attention particulière a été accordée à l'épaisseur du film liquide, à la fois aux coins et aux parois, ainsi qu'à la forme et à la vitesse des gouttelettes/bouchons. Il a été observé que l'épaisseur du film liquide dans les coins et près de la paroi augmente à mesure que le rapport de débit diminue. Une telle augmentation de l'épaisseur du film liquide affecterait de manière significative la vitesse des gouttelettes et des bouchons. Les résultats ont également montré que le nombre CaTP (basé sur la vitesse de l'écoulement diphasique) était le paramètre le plus influent sur la forme des gouttelettes/bouchons par rapport au rapport de viscosité et au rapport de débit. Dans la deuxième partie, nous examinons numériquement les performances de transfert de chaleur de l'écoulement liquide-liquide de Taylor dans un microcanal rectangulaire une fois que nous avons eu un aperçu sur l'hydrodynamique et le comportement de ce type d'écoulement. Une analyse de l'effet de la longueur du bouchon et de l'épaisseur du film liquide a été menée avec des propriétés thermophysiques initialement constantes. Cette hypothèse a été prise en compte pour analyser le processus de transfert de chaleur et déterminer le paramètre le plus critique affectant les performances de transfert de chaleur. Une fonction définie par l'utilisateur a ensuite été mise en œuvre dans ANSYS Fluent pour étudier l'effet du changement de viscosité du fluide de travail en fonction de la température sur les paramètres affectant le taux de transfert de chaleur. Le transfert de chaleur conjugué et la conduction axiale ont également été examinés, vu que ces deux facteurs peuvent affecter de manière significative le comportement thermique à l'intérieur du microcanal et permettent d'obtenir des résultats réalistes et précis. Les résultats révèlent que l'écoulement de Taylor liquide-liquide peut augmenter le taux de