Estimation du flux de chaleur extrait à la paroi par l’impact d’une goutte

Thomas Potaufeux1^{1}, Ophélie Caballina1^{1}, Guillaume Castanet1^{1}
⋆^{\star} : thomas.potaufeux@univ-lorraine.fr
1^{1} LEMTA, Université de Lorraine, CNRS
Mots clés : Refroidissement par spray; thermographie infra-rouge
Résumé :

La pulvérisation par spray est une des méthodes les plus efficaces pour le refroidissement de surface. Cette méthode permet d’atteindre un refroidissement avec une densité de flux thermique pouvant atteindre 1000W/cm². Cependant, il n’est pas encore possible de prévoir les performances de sprays dues aux très nombreux paramètres qui régissent ses effets.

L’étude de l’impact d’une goutte individuelle sur une surface chaude est ainsi un cas de recherche privilégié pour identifier les mécanismes physiques agissant sur le transfert de chaleur à la paroi. Dans cette étude, nous nous intéressons expérimentalement au cas d’une goutte impactant une paroi lisse. Afin de mettre en place une technique de thermographie infra-rouge, la paroi (en saphir), transparente dans l’infra-rouge, est rendue émissive grâce à un dépôt de TiAlN de quelques micromètres d’épaisseur. Ce dépôt permet de relever le champ de température spatialement et temporellement grâce à une caméra IR haute cadence. Afin de pouvoir coupler les informations sur les transferts de la chaleur avec la dynamique d’impact de la goutte, une seconde caméra ultra-rapide permet d’observer par ombroscopie la goutte au cours de l’impact.

L’estimation du flux de chaleur extrait à la paroi à partir des champs de température mesurés est un problème inverse de transfert thermique. Une résolution par quadripôle thermique permet de donner une expression analytique du flux thermique en fonction de la température. Dans les études menées précédemment dans l’équipe, les études se sont restreintes au régime d’ébullition à film où le film de vapeur présent entre la goutte et la paroi excluait tout contact mouillant et limitait les régimes dynamiques d’impact au rebond ou au splashing. Dans cette situation, une hypothèse d’axisymétrie du champ de température par rapport au point d’impact est pleinement justifiée et un profil radial moyen de température peut être estimé. Le flux de chaleur extrait peut alors être calculé sur ce profil de température en faisant usage des transformées de Hankel pour l’espace et de Laplace pour le temps [Chaze2019]. Les études menées actuellement concernent les plus basses températures impliquant des régimes d’ébullition nucléée. Étant donné le caractère aléatoire des sites de nucléation, l’hypothèse d’axisymétrie du champ de température n’est plus valide malgré le caractère circulaire initial de la goutte. C’est dans ce contexte qu’une nouvelle méthode se basant sur les séries de Fourier et les transformées en sinus est en cours de développement afin d’utiliser directement les champs de température 3D dans la méthode d’obtention du flux de chaleur extrait à la paroi. Les améliorations obtenues par cette nouvelle méthode de traitement pourront être mises à profit pour l’étude de cas d’impact de gouttes d’eau en faisant varier la vitesse d’impact (Weber entre 30 et 120), la température de paroi dans une gamme de 80∘^{\circ}C à 500∘^{\circ}C et la mouillabilité de paroi.

[Chaze2019] : Chaze, W., Caballina, O., Castanet, G., Pierson, J. F., Lemoine, F., & Maillet, D. (2019). Heat flux reconstruction by inversion of experimental infrared temperature measurements–Application to the impact of a droplet in the film boiling regime. IJHMT, 128, 469.

Work In Progress