Méthode fiable d’estimation de la conductivité thermique de différents nano-fluides

Au cours des années 2000, la communauté scientifique a consacré de nombreux travaux à l’étude des nano-fluides dans le but d’évaluer leurs performances thermiques liées à l’intensification des échanges fluide/paroi. Ces performances sont caractérisées notamment par leurs conductivités thermiques. Cependant, les résultats rapportés dans la littérature se sont révélés souvent divergents, suscitant d’importants débats quant à la réelle efficacité de ces nano-fluides [1]. Cette variabilité a mis en évidence la nécessité de disposer de méthodes de mesure de la conductivité thermique à la fois précises, reproductibles et fiables. C’est l’objectif de ce travail. Après une étude comparative de plusieurs techniques, nous avons retenu la méthode du fil chaud pour sa simplicité de mise en œuvre et sa robustesse expérimentale [2]. Le dispositif développé repose sur un fil d’Alumel faisant office à la fois d’élément chauffant et de capteur de température. La résistance du fil a été soigneusement étalonnée pour différentes puissances de chauffage et avec une plage de températures comprise entre 20 et 80 degC. L’estimation de la conductivité thermique des mesures s’appuie sur un modèle analytique formulé à l’aide de la méthode des quadripôles, permettant de décrire avec précision les transferts thermiques au sein du système1D multicouche à géométrie cylindrique. Des simulations sous COMSOL ont permis de valider l’hypothèse d’effets de bord négligeables. Un algorithme d’estimation de paramètres utilisant le modèle analytique a ensuite été implémenté, intégrant plusieurs méthodes d’inversion numérique de la transformée de Laplace afin d’évaluer leur influence sur les valeurs de conductivité thermique obtenues. Une analyse d’incertitude sur les valeurs de conductivité thermique a été réalisée selon les travaux de Milošević [3]. Le modèle a été validé par des mesures réalisées sur de l’eau déionisée. Enfin, ce dispositif a été utilisé pour étudier la conductivité thermique de trois nano-fluides en fonction de la fraction volumique de nano-particules et de la température. Les écarts constatés entre les valeurs de modèles semi-empiriques de prédiction de la conductivité thermique en fonction de la fraction volumique de nanoparticules (modèles de Hamilton-Crosser, Maxwell...) et les résultats expérimentaux ont fait l’objet d’une analyse approfondie, permettant de mieux interpréter les tendances observées. [1] I. Gonçalves, et al., Applied Sciences, vol. 11, no. 6, p. 2525, 2021, doi: 10.3390/app11062525 [2] J.-P. Monchau, vol. 24, no. 1, pp. 97-103, 2017, doi: 10.1515/mms-2017-0009. [3] N. D. Milošević et M. Raynaud, Proc. 3rd Int. Conf. Thermal and Mechanical Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE 2002), pp. 1-8, 2002.

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