Analyse expérimentale de la dynamique générée par un fort gradient de température volumique
Les technologies solaires à concentration reposent sur la concentration du rayonnement solaire incident sur un récepteur où s’écoule un fluide caloporteur. Ce chauffage intense et asymétrique perturbe l’écoulement du fluide, mais les mécanismes physiques à l’origine de ces perturbations restent encore mal compris. Nous présentons une étude fondamentale des perturbations générées par un fort gradient de température volumique au moyen d’un dispositif expérimental original. Le dispositif expérimental est composé d’un nanofluide constitué d’une suspension de nanoparticules de graphène dans l’eau, capable d’absorber jusqu’à 85 % du rayonnement incident sur une épaisseur de 1 cm. Ce nanofluide est placé dans une cuve de 20 cm de diamètre et 1 cm d’épaisseur, puis positionné au foyer d’une parabole solaire de 1 kW. Il est soumis à un flash solaire bref (0,5 à 1,5 s), pouvant atteindre localement jusqu’à 10 MW/m2 sur une zone d’environ 1 cm de diamètre. Ce flash génère un fort gradient de température entre la région irradiée et le reste du fluide, qui demeure proche de la température ambiante. La température du nanofluide est mesurée dans les secondes suivant le flash thermique grâce à une caméra infrarouge, afin d’observer et d’analyser la réponse du fluide au fort gradient de température imposé, et d’identifier les mécanismes de mise en mouvement du fluide. Une caméra visible est également utilisée pour mettre en évidence d’éventuels mouvements de la surface du fluide. Deux régimes distincts ont été identifiés selon l’énergie du flash : (1) un régime stable, où la chaleur se propage de manière homogène dans le fluide, (2) un régime instable, caractérisé par l’apparition de plumes horizontales à la surface du nanofluide, la formation de bulles dans la zone irradiée pendant le flash, et l’émergence de vagues concentriques à la surface. L’analyse des vitesses de déplacement des fronts de température pour chacun des deux régimes permet de conclure que la conduction pure ne domine dans aucun des deux régimes. Le fort gradient de température induit donc des transferts convectifs au sein du fluide pour tous les flashs testés. Des analyses complémentaires sont en cours afin d’identifier plus précisément les mécanismes physiques dominants dans le transport de chaleur pour chacun de ces régimes.
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