Caractérisation expérimentale d’écoulements alternés de gaz au sein de microcanaux - Pertes de charge et variations de température

Jean Kovchar1^{1}, Magali Barthes1^{1}, François Lanzetta1^{1}, Jean-Marc Cote1^{1}, Michel De Labachelerie1^{1}
⋆^{\star} : magali.barthes@femto-st.fr
1^{1} Institut FEMTO-ST
Mots clés : Microchannel, alternate flow, temperature variation, temperature sensor, pressure drop
Résumé :

La valorisation des chaleurs fatales constitue un enjeu majeur pour notre économie. On estime que, sur le gisement industriel de près de 110 TWh, 25% correspondent à un niveau de température compris entre 100 et 200∘^{\circ}C. Les progrès récents des dernières décennies dans les technologies MEMS ont ouvert la voie à la conception, au développement et à la miniaturisation de dispositifs de récupération et de conversion en énergie électrique d’énergie basse température fonctionnant sur le principe d’une machine Stirling.

De précédentes études menées au sein de l’institut Femto-st ont contribué à la fabrication d’un prototype de moteur Stirling miniaturisé. Cependant, les tests expérimentaux du prototype miniature ont mis en évidence des problèmes liés aux écoulements alternés à ces échelles. Les pertes de charge observées étaient en effet bien plus importantes que celles prévues par la théorie à échelle macroscopique. De plus, bien que les écoulements alternés aient été largement étudiés à l’échelle macroscopique, il n’existe pratiquement aucune étude sur ces écoulements à l’échelle microscopique.

L’objectif de ce travail est donc de permettre une meilleure compréhension des écoulements alternés de gaz au sein de microcanaux de section rectangulaire à travers la détermination des pertes de charge. Les microcanaux, conçus pour permettre l’étude de l’influence de différents paramètres géométriques, sont fabriqués à l’aide de technologies de salle blanche disponibles au sein de la centrale de microfabrication MIMENTO de l’institut FEMTO-ST. Des capteurs de pression et de température situés en entrée et sortie du microcanal, permettent des mesures globales de pression et de température. De manière plus localisée, des capteurs de température surfaciques et miniatures, quasiment non intrusifs, et ayant des temps de réponse courts, ont été élaborés et intégrés au processus de microfabrication. Basés sur le principe des RTD, les mesures de température sont obtenues à l’aide de piste résistive de Platine, d’épaisseur sub-micrométrique, déposées par évaporation.

Dans cette étude, nous nous intéressons à l’écoulement d’air dans des canaux ayant un diamètre hydraulique allant de 100 à 1 mm et avec des fréquences d’alternance de l’écoulement variant de 0.5 Hz à 10 Hz. Différents rapports d’aspect des canaux (rapport entre la largeur et la hauteur du canal) sont également étudiés variant de 0.1 à 1 (canaux de section carré).

Des variations de température non négligeables, probablement dues à la compressibilité du fluide, ont pu être observées. Ces variations de température augmentent en fonction de la fréquence d’oscillation de l’écoulement. Les pertes de charge et le coefficient de frottement ont également été déterminés expérimentalement entre chaque extrémité du microcanal et sont représentés en fonction du nombre de Womersley. Ces pertes de charge observées sont plus importantes au sein des microcanaux que ceux observés dans la littérature à échelle macroscopique.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-090

PDF : download