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Amphithéâtre de l’IUSTI. Vendredi 28 Août 2009, Soutenance de thèse publique. pour obtenir le titre de Docteur de l’Université de Provence Discipline : Mécanique, Physique et Modélisation. - PowerPoint PPT Presentation
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1
Instrumentation locale et techniques inverses appliquées à la caractérisation de l’ébullition convective en microgravité
au sein de minicanaux
Amphithéâtre de l’IUSTI
Marseille, Laboratoire IUSTI UMR - CNRS 6595
Devant le jury composé de :
Présentée et soutenue par
pour obtenir le titre de Docteur de l’Université de ProvenceDiscipline : Mécanique, Physique et Modélisation
Vendredi 28 Août 2009, Soutenance de thèse publique
Sébastien Emmanuel LUCIANI
COLIN Catherine Professeur, INPL, Toulouse Rapporteur
LE MASSON Philippe Professeur, Université de Bretagne Sud, Lorient Rapporteur
BRUTIN David Maître de conférence, Université Paul Cézanne, Marseille Examinateur
DI MARCO Paolo Professeur, Université de Pise, Pise Examinateur
LE NILIOT Christophe Professeur, Université de Provence, Marseille Directeur de thèse
MARTY Philippe Professeur, Université Joseph Fourier, Grenoble Examinateur
TADRIST Lounès Professeur, Université de Provence, Marseille Co-directeur de thèse
2
École Polytechnique Universitaire de Marseille - IUSTI UMR CNRS 6595,Technopôle de Château Gombert - 5 Rue Enrico Fermi 13453 Marseille Cedex 13. France
Sébastien Emmanuel LUCIANIIngénieur Polytech’ Marseille
Directeur de thèse : Christophe Le Niliot, Université de Provence, Laboratoire IUSTI, UMR CNRS 6595, Marseille
et École Doctorale des Sciences pour l’Ingénieur, Université de Provence, Aix-Marseille I
Co-directeur : Lounès Tadrist Université de Provence, Laboratoire IUSTI, UMR CNRS 6595, Marseille
Instrumentation locale et techniques inverses appliquées à la caractérisation de l’ébullition convective en microgravité
au sein de minicanaux
Co-encadrant : David Brutin, Université Paul Cézanne, Laboratoire IUSTI, UMR CNRS 6595, Marseille
3
Contexte: pourquoi l’ébullition convective en minicanaux
Echangeurs, évaporateurs …
ISS
Besoin de transférer des flux de chaleur importants
Installation d’équipements en augmentation
Nécessité de miniaturiser les équipements
Comprendre les phénomènes physiques
Minicanaux
Coefficients de transferts, Flux critiques, Structure d’écoulements
Températures et Flux inaccessibles à la mesure directe sans perturber les transferts
Fournir des connaissances de base sur les systèmes de refroidissement
diphasiques pour des conditions semblabes à ceux de l’ISS
Utilisation de boucles diphasiques
Comment quantifier les transferts thermiques locaux et les comparer aux modèles et corrélationsde la littérature ?
Puissance et échanges thermiques croissants
4
Ébullition convective
Coefficient de transfert de chaleur qui décroît avec le titre massique (Agostini 08)
Coefficient de transfert de chaleur qui croît avec le nombre de Reynolds
(Jung 09) Écoulement laminaire
Années 60/70 ébullition convective en tubes millimétriques : instabilités des systèmes diphasiques (Neal et Zivi 1967)Années 90 ébullition convective en minicanaux : concept d’ébullition fictive et d’espace d’évaporation instrumentation en microcanaux quasi impossible (Peng et Wang 1998)Années 2000 ébullition dans un réseau de microcanaux (Qu et Mudawar 2003)
Ebullition convective 1g
Ebullition µg
Années 2000 Ohta 97, Celata 05, Di Marco 03, Colin 09
Peu d’études Expérience coûteuse et courte (de 2 à 20 secondes)
Problème : chauffer, visualiser et mesurer localement en même temps
5
Inversion de mesures
Problème inverse : résolution de l’équation de la chaleur à partir d’observations effectuées sur le système étudié
Problème mal-posé (instable et solution non unique)
Méthodes inverses d’estimation de conditions limites inconnues(inversion de mesures pour la complétion de données)
Années 80 problème inverse 1D avec quelques thermocouples : par exemple le retour vers la surface (Raynaud et Bransier 1986)Années 90 problème inverse 2D : Méthode numérique globale + pénalisation (Le Niliot et al. 1998) ou itérative (Abou Khachfe et Jarny 2001)Années 2000 problème inverse 3D : Méhode numérique + troncature (Le Niliot, Lesnic 02) ou itérative (Le Masson 08)
Estimation locale non intrusive
• Peu d’études d’inversion de mesures appliquées au diphasique• Système mince, 1D-2D, rarement 3D• Techniques de régularisation : pénalisation (Tikhonov), troncature (SVD), itérative (discrepancy principle)
Températures internes(thermocouples)
Conditions aux limites
1
Frontière
Conditions aux limites
Paroi inaccessible à la mesure
et inconnus
2
contact
température sur le contour densité de flux de chaleur sortant
6
Problématique
Mise au point de la méthode d’estimation et réalisation d’une campagne d’expérience en microgravité
Etude locale des transferts de chaleur dans des minicanaux
Comparaison résultats expérimentaux - modèles existants
Application de techniques inverses à l’ébullition convective [S. Luciani]
Transferts thermiques en microcanaux pendant l’ébullition convective fonction
de la gravité
Thèse
Estimation des conditions aux limitesinconnues (Températures, Flux, sources) à l’aide de données expérimentales
Géométrie (2D, 3D), équation de la chaleuren stationnaire et instationnaireB.E.M.(Boundary Element Method), TC +thermographie IR
Influence du confinement sur la perte depression et sur le coefficient de chaleur globaldans des minicanaux
Expérimentation des régimes d’écoulementet mise en place d’un dispositif expérimental à bord de vols paraboliquescapteurs (P,T), caméra rapide
Méthode inverse [C. Le Niliot]
Ebullition convective [D.Brutin]
Méthode inverse avec accès aux grandeurs inconnues par inversion
de mesures (températures)
+
7
Plan de l’exposé
Développement de la méthode inverse
Traitement des données expérimentales issues des vols paraboliques
Conclusions et perspectives
Investigation sur les écoulements diphasiques et les méthodes inverses
Inversion des mesures de températures
Formulation de la méthode d’estimation de conditions aux limites inconnues
Contexte scientifique
Prise en compte du terme source
Expérimentation en microgravité
Contraintes techniques
Design de l’expérience
Analyse de l’ébullition convective
8
Campagnes à bord de l’ A300 Zero-G France (Bordeaux)
- Expérience A.B.I.M.M - PF52 (CNES) – Septembre 2005- PF53 (ESA) – Octobre 2005- PF63 (ESA) – Mars 2007
Objectif : Etudier l’nfluence de la microgravité sur un écoulement diphasique
Moyens- 2 minicanaux : visualisation et mesures- Métrologie par thermocouples situés sous le minicanal =>Analyse à l’aide d’une méthode inverse
Résultats attendus- Comparaison des coefficients locaux de chaleur en mirogravité (µg), gravité normale (1g) et hypergravité (1.8 g)- Etude d’écoulement stationnaire et instationnaire
Cahier des charges
But : Utiliser une expérience en microgravitéà bord de l’A300-Zero G
Contrainte : Encombrement spatial réduitFaible inertie thermiqueFaible consommation électrique
9
4’
8’
4’
5’
5’
Phase 1 : 1.8g puis 1,5g durant 20 s
Phase 2 : µg durant 22s
Phase 3 : 1.8g pendant 22 s
31 paraboles / vol
Vols Paraboliques
10
Dispositif expérimental
11
Boucle fluide
12
Plan de l’exposé
Développement de la méthode inverse
Conclusions et perspectives
Investigation sur les écoulements diphasiques et les méthodes inverses
Contraintes techniques
Formulation de la méthode d’estimation de conditions aux limites inconnues
Contexte scientifique
Prise en compte du terme source
Design de l’expérience
Expérimentation en microgravité
Traitement des données expérimentales issues des vols paraboliques
Inversion des mesures de températures
Analyse de l’ébullition convective
13
Éprouvettes : contraintes expérimentales
Minicanaux en inconel
Géométrie multicouches : fluxmètre + minicanal + semelle en polycarbonate
Matériaux avec une faible différence de dilatabilité
Fluxmètre inverse en ciment (diélectrique) : 21 thermocouples non gainés (140 µm)
Chauffage intégré au fluxmètre : 5 fils chauffants de 0.3 mm (sources linéïques 15 à 50 W/m)
Minicanaux (654 454 254 µm) - HFE-7100 (54°C à 835 mbar) + Fluide entrant à 2°C sous Tsat
Chauffage par résistance
Mesures de températures par thermocouple (TC)
Flux uniforme à la surface et faible inertie
Choix techniques
14
Conception des éprouvettes
Vue de faceVue de coté
g
Barreau en ciment
Chauffage par sources linéïques
Couvercle en polycarbonate pour la visualisation
Mesures fournies par 21 thermocouples (140 µm)
Barreau
Températures et flux inconnus
Mesures de températures
2D sources ponctuelles
3D sources linéïques
15
Modélisation de l’éprouvette à l’aide de BEM
BEM : Boundary Element Method (Méthode des Eléments de Frontière)
Méthode à résidus pondérés
Formulation intégrale de contour seulement
Résolution sans maillage de volume
Géométrie complexe (2D, 3D)
Relation directe
inconnues de surface - mesures de surface
Pour les sources ponctuelles (linéïques) et les thermocouples : pas de raffinage de maillage autour des points (lignes)
x
Température et flux constantssur chaque élément i (xi, yi, zi)
satT
Calcul pour chaque élément du flux et de la température surfacique
Connaissant la température de saturation , le coefficient par élément s’obtient :
surf i
i
surf i sat i
ˆ ( x )h( x ) ˆ ( x ) T ( x )
ˆsurf surf
h fonction de la longueur du minicanal
16
Vérification des postulats en approche 2D
Flux nul polycarbonate
Coefficient h constant dans le canal (largeur)
h=10000 W/m2.K
s x y
Hypothèses
x
y
h=10000 W/m2.K
17
Sensibilité de la mesure en 3D stationnaire
Expérience sensible aux variations du coefficient d’échange
Qu’en est il de la sensibilité aux paramètres supposés connus ?
Par exemple : la position des thermocouples
Xh
et
*X hh
Simulation directe : h(x) fixé + conditions limites réalistes + sources (33 W/m)
Simulation directe : h(x) + h(x) avec h(x)=20% h(x)
Température des points internes
(x)=f(h(x))
Variations de h, perceptibles par les thermocouples situés dans le barreau chauffant
*iX
18
Sensibilité à la position des thermocouplesInfluence des positions
Bruitage aléatoire de la position des thermocouples (écart type =0.5 et 0.7)
Comparaison des températures calculées avec positions exactes et positions bruitées
Evaluation
Sensibilités en températures plus élevées aux erreurs de position qu’aux variations de h réalistes
=0.5 mm=0.7 mm
Analyse des positions par tomographie
Résolution de 20 µm
Biais sur les températures inférieures <
au bruit de mesure (0.1 °C)
19
Expérimentation en microgravité
Plan de l’exposé
Développement de la méthode inverse
Conclusions et perspectives
Investigation sur les écoulements diphasiques et les méthodes inverses
Contraintes techniques
Formulation de la méthode d’estimation de conditions aux limites inconnues
Contexte scientifique
Prise en compte du terme source
Design de l’expérience
Traitement des données expérimentales issues des vols paraboliques
Inversion des mesures de températures
Analyse de l’ébullition convective
20
Problème Inverse de Conduction de la Chaleur (P.I.C.C)
A partir d’observations (mesures), on cherche une estimation :
• De la géométrie du domaine: • Des propriétés thermophysiques • De la condition initiales • Du terme source : g(x, y, z, t)• De conditions limites inconnues (flux
de chaleur et températures)Problème mal-posé (Hadamard) :
existence, unicité, stabilité de la solutionMatrices mal-conditionnées
Le but est de calculer le champs de température (x ,y ,z ,t)
Connaissant :• La géométrie du domaine
• Les propriétés thermophysiques: • Le terme source: g(x, y, z, t)• La condition initiale et les conditions
aux limitesLe problème est bien poséLa plupart du temps : Matrices de
résolution
bien conditionnées
Problème Direct Problème Inverse
Méthodes itératives : FEM + état adjointMéthodes globales : Semi-Analytiques, Numériques (BEM + SVD)
Équation de la chaleur C gt
Méthode d’optimisation par minimisation d’un écart modèle-mesures
21
Considérons l’équation de la chaleur en stationnaire sans terme source :
0
T (M)d 0
Double intégration par partie + théorème de Green
Formulation intégrale
** *T
T d d T dn n
*M MT d c
Soit la fonction de pondération T*, choisie comme solution fondamentale de l’équation de Laplace telle que :
(M,P) = 0 if M≠M’
(M,P) = ∞ if M=M’
**
M M
Tc d T d
n n
*M,M '
*M,M '
T 0
or T
B.I.E
- la fonction est une fonction harmonique de l’espace dans le domaine - le domaine est délimité par un contour fermé .
Pas d’intégrale de volumePas de maillage de domaine
cM=1 si M est un point interne,cM=1/2 si M est sur (régulière)M (cM=1)
M (c=1/2)
Domaine Frontière
On obtient l’équation intégrale de frontière
- T*(M) fonction continue et deux fois dérivable dans - T*(M) fonction de Green de l’espace
*
M,M 'T
22
Formulation
Équation intégrale de frontière sur i
Frontière
N éléments de frontières N’ points internes(mesures)
i i,i constants sur chaque élément
Domaine
.
*M Mc q d T d
Flux de chaleur sur l’élément
B.I.E
Formulation discrète
, ,1 1
symbol de
Kronecker
N N
ij
i j i ij j i j jj j
H c G
j j
N Nj
i i jj 1 j 1
i, ji, j
T *c d T *d
nGH
giI
i
** T
qn
cM=1 si M est un point interne,cM=1/2 si M est sur (régulière)
Sources linéiques de chaleur
Intégrale de volume
Température sur l’élément iii
Hi,j et Gi,j coefficients géométriques
Forme du terme source ?
23
Design de l’expérience
Expérimentation en microgravité
Plan de l’exposé
Développement de la méthode inverse
Conclusions et perspectives
Investigation sur les écoulements diphasiques et les méthodes inverses
Contraintes techniques
Formulation de la méthode d’estimation de conditions aux limites inconnues
Contexte scientifique
Prise en compte du terme source
Traitement des données expérimentales issues des vols paraboliques
Inversion des mesures de températures
Analyse de l’ébullition convective
24
K
0k kk 1
avec g=g(x,y,z) g f (L )
F
0
t*
gi F
t
gI (t ) T (M)d dt
kk k
k
0 si M Lf (L ) H(M,L )
1 si M L
Prise en compte de la source linéique
Expression du terme de source de chaleur Igi
K sources linéïques (K=5) dans réprésentées par Lk g0k valeur algébrique de la source linéique (W/m) constanteH est la fonction d’Heavyside
Schéma de la source linéïque
*
i,k
1 1T
4 r
Arriver à une expression de Igi qui ne fasse pas intervenir de maillage
*gi
gI = T (M)d
2i,k*
s
2
r1T exp H( )
4(4 )
en stationnaire
en instationnaire
g a une forme particulière
*gT d
On cherche à évaluer le terme
F( t t) tF instant de résolution
25
K*
gi 0k kk 1
terme source
gI T (M)d avec g=g(x,y,z) g f (L )
*0kk
gf (L ) T d
*gi
gI T d
Formulation stationnaire
*
i,k
1 1T
4 r
k
K*0k
g kLk 1
gI T dl
k
K*0k
k kk 1
gf (L )T d
f(Lk) nulle partout sauf sur Lk
Pour la source k
k
*0kgi,k kL
gI T dl
k
0kkL
i,k
g 1 1dl
4 r
k
0kgi,k kL
gI F(x,y,z)dl
aveci,k
1F(x,y,z)
4 r
ri,k distance de l’élément à la ligne Lk
26
F
0
t K*
g 0k kk 1t
terme source
gI T (M)d dt avec g=g(x,y,z) g f (L )
F
0
t*
gi
t
gI T (M)d dt
F
0 k
K t *0kg,i kt L
k 1
gI T dl dt
Formulation instationnaire
2i,k*
s
2
r1T exp H( )
4(4 )
F
0
t K*0k
kk 1t
gf (L ) T (M)d dt
F
¨ k0
t K*0k
k kk 1t
gf (L )T (M)d dt
f(Lk) nulle partout sauf sur Lk
F
0 ¨ k
K t *0kk kt
k 1
gf (L )T (M)d dt
F
0 k
t *0kgi,k kt L
gI T dl dt
F
k 0
t*0k
kL t
gT dt dl
F
0
t *
tT dt
évaluer
Pour la source k
27
Formulation instationnaire – intégration sur le temps2i,k*
s
2
r1T exp H( )
4(4 )
Changement de variable
F
0
t *
tT dt
F
0
u2t *
tu1
1T dt = ( ,v)
2
2i,k
f
ru
4 (t t)
Expression semi-analytique sur le temps
u21/ 2 1/ 2u13 / 2
i,k
1 1 = (1 erf (v )
r 4
Introduction de la fonction
n 1
x(n,x) p exp( p)dp
F
k 0
t *0kgi kL t
gI T dt dl
k
0kgi,k k3 / 2 L
g 1I F(x,y,z) dl
4
avecu21/ 2 1 / 2u1
i,k
1F(x,y,z) = (1 erf (v )
r
On va transformer
28
Conclusion sources linéïques
0
TT '
S
S '
H G
H G
kkL
F(x,y,z)dl
k
b
kL aF(x,y,z)dl F(x,Y(x),Z(x)) (1 Y'(x) Z'(x)dx
T vecteur des températures des i aux N éléments de contour, vecteur des flux de chaleur aux N éléments de contour, S le terme source associé aux éléments et aux points internes et H et G des matrices (NN) des coefficients Hi,j et Gi,j
b n
i ii 1a
f (x)dx w f (x )
Méhode des Poids de Gauss
On se ramène a un terme source qui peut être rajouté sous la forme d’un terme additif du second membre de type
En stationnaire et instationnaire, on doit évaluer une intégrale curviligne sur l’espace
On utilise le théorème suivant
N
gi j jj 1
I C w F(x )
Avec F une fonction de l’espace et C une constante propre au stationnaire et à l’instationnaire
Formulation BEM sans maillage de domaine
29
Formulation matricielle
2
2
surf surf
ˆ ˆX arg minimum X B
J(X)
A
X-B
X=arg minimum J(X)
ˆ ˆ, Φ
= A
Problème mal-posé ( est instable)
+ problème sous-déterminéX
solution de moindre énergie
Troncature par SVD
solution très sensible au bruit de mesure
problème sous déterminé
Complétion de données et régularisation
0
TT '
S
S '
H G
H G
Formulation matricielle
Matrice fonction du maillage
Vecteur des inconnues
Vecteur contenant des mesures + CL + sources
A X = B
Considérant les mesures internes, le terme source, on veut une estimation des conditions inconnues (flux de chaleur et températures dans le minicanal) On regroupe les inconnues dans X
Problème mal-posé (Hadamard) :
existence,
unicité : moins d’équations que d’inconnues
stabilité : A est mal-conditionnée
30
Régularisation de la solution
Wt-1 tronquée des valeurs (1/wj) trop grandes ou infinies (si wj=0)
Manque d’information dans le système mais stabilité des résultats
Création d’un biais dans les résidus
Compromis entre stabilité et faibles résidus par exemple la courbe en "L" (Hansen 98)
Régularisation avec SVD: Décomposition et troncature
Si A est mal-conditionnée wj ->0 (1/wj ->∞) et les erreurs sont amplifiées
La matrice A’ peut se décomposer telle que A’ = U W VT
U et V (M,M) sont des matrices
orthogonales UTU=VVT=1 W est la matrice
diagonale (M,M) des valeurs singulières wj U V T
jX . diag / w . B1
1
'
0
W
0 0
n n
w
w
si (N+N’)M: la solution est identique à celle obtenue à l’aide des moindres carrés
si (N+N’)<M: on complète la matrice A en ajoutant des lignes de 0 afin d’obtenir une matrice carrée modifiée A’ qui est décomposée. On a M-(N+N’) valeur singulières nulles qui sont éliminées lors de la troncature
T1
TX (U W V) B
2
J( ) X-=X ˆ BA
11 0 0
10 0
0 0 0
p
/ w
/ w
-1tW
X
Beaucoup plus longue qu’une “décomposition” de type LU et pivot de Gauss
Calculs // pour les problèmes transitoires
Attention
Solution
31
Conclusions méthode numérique
“Inverse crime”
Méthode numérique au point : 3D stationnaire et instationnaire avec sources linéiques
Résolution du problème inverse par l’inversion d’un système linéaire
Résolution et régularisation par SVD en calcul parallèle par les librairies Scalapack (Y. Jobic)
Estimation des températures et flux de chaleur le long du minicanal à partir des mesures par
thermocouples
Courbe en "L"Mesures générées par un code direct avec la même méthode et le même maillage que le code inverse
Norme de la solution fonction de la norme des résidus (K=107)
32
Expérimentation en microgravité
Plan de l’exposé
Développement de la méthode inverse
Conclusions et perspectives
Investigation sur les écoulements diphasiques et les méthodes inverses
Contraintes techniques
Formulation de la méthode d’estimation de conditions aux limites inconnues
Contexte scientifique
Prise en compte du terme source
Design de l’expérience
Traitement des données expérimentales issues des vols paraboliques
Inversion des mesures de températures
Analyse de l’ébullition convective
33
Expérience en microgravité
Influence de la gravité
- Ebullition convective- Transferts de chaleur- Structures d’écoulements différentes
Principes
- Flux de chaleur imposé sous le minicanal- Caméra rapide au dessus - Enceinte de confinement- Boucle fluide
Expérience
1.8gµg
Littérature
entrée
sortie
0
50Modélisation
x (mm)
6 mm
1
ciment
12 mm 2
(épaisseur 254 µm)
minicanal
Taille des bulles fonction de la gravité
Vu de
dessous
Vu de
dessus
inconel
chauffage
Référence 1g seulement
34
Mesures expérimentales issues des vols paraboliques
Visualisation directe de deux paraboles
50 secondes de transitoire dues aux changements des conditions de l’expérience
Système non stabilisé au démarrage de la 2ième parabole
3 thermocouples représentés
Températures et niveau de gravité mesurés en fonction du temps
35
Analyse d’une parabole
Pour traiter une parabole entière (70 s) 3D instationnaire
Perturbation en phase de microgravité
Régime quasi-stationnaire en fin de parabole
zone stationnaire
zonetransitoire
zone stationnaire
Zone stationnaire : bruit de mesure de +/- 0.1 °C (chaîne d’acquisition)
Zone transitoire en phase de microgravité : variation de 0.7 °C
Mise en évidence d’une zone stationnaire en fin de phase de microgravité
possibilité d’utiliser une approche 3D stationnaire
Températures et niveau de gravité mesurés en fonction du temps
36
Structures d’écoulements: 1.8g et µg
Caméra rapide à 1000 img/sQm = 0.26 g/sQw = 32 kW/m2
Epaisseur de confinement : 0.454 mmLongueur: 50 mmLargeur: 6 mm
Longueur capillaire: 1.8g 0.72mm (Co = 0.8) 1g 0.96 mm (Co = 1.1) µg 4.3 mm (Co = 5.0)
Structure d’écoulement en 1.8g et 1g similaires et en accord avec les structures classiques : bulles, bouchons…
Structure d’écoulement en µg grosses pôches de vapeur s’écoulant à faibles vitesses
1.8g µg
Modifications des structures
37
Longueur capillaire et structures
1g 1.8g : -26 %: 1g µg : +300 %
1
2σL =
c ρ gL
Hypergravité Microgravité
38
Variation linéaire de la perte de pression totale fonction du titre
Plus la gravité est forte, plus la perte de pression est grande
Hypergravité (1.8g): bulles se développent plus rapidement et leur nombre augmente
Perte de pression
Conditions
Qw=32 kW/m2P=20.3 WDh=0.84
21ReKJK
PZ
f
JZ ≈ 1.8 hypergravitéJZ ≈ 1 gravité normaleJZ ≈ 0.05 microgravité
0210 ReRe KJKPP Zff
outinonacceleratigravityfrictionT PPPPPP
39
Expérimentation en microgravité
Plan de l’exposé
Développement de la méthode inverse
Conclusions et perspectives
Investigation sur les écoulements diphasiques et les méthodes inverses
Contraintes techniques
Formulation de la méthode d’estimation de conditions aux limites inconnues
Contexte scientifique
Prise en compte du terme source
Design de l’expérience
Traitement des données expérimentales issues des vols paraboliques
Inversion des mesures de températures
Analyse de l’ébullition convective
40
Résultats de l’inversion : profil 3D de température
InconelCampagne PF53 Text = 45°CTsat= 54°CQw=32 kW/m2< 1% perte de puissance sur le bilan d’énergie aux frontières
Flux de chaleur distribué totalement sous le minicanal Profil de température croissant dans le minicanal Tsurf > TsatTitre vapeur en sortie (m=1)
Observations
Conditions
41
Profil de la température et du flux de surface
Profil croissant : ébullition convective
Profils en gravité normale (1g) et hypergravité (1.8g) quasi semblables
4 °C de différence sur la température de surface entre 1g et µg
Conditions
PF63J3
Dh=0.84 mm
Longeur capillaire: 1.8g 0.72mm (Co = 0.8) 1g 0.96 mm (Co = 1.1) µg 4.3 mm (Co = 5.0)
Dm=3.3e-4 kg/sU=0.153 m/sP=20.3 W
ˆsurf
surfT
42
h plus grand en entrée du minicanal
Résultats en hypergravité (1.8 g) et gravité terrestre (1g) similaires
Meilleur transfert de chaleur en microgravité (µg)
Coefficient de transfert de chaleur local
PF63J3
Dh=0.84 mm
Dm=3.3e-4 kg/sU=0.153 m/sP=20.3 W
Conditions
S. Luciani, D. Brutin, C. Le Niliot , O. Rahli, L. Tadrist, Flow boiling in minichannels under normal, hyper and microgravity: local heat transfer analysis
using inverse methods, Journal of Heat Transfer, October 2008, Vol. 130, pp 101502-1 1015026-13.
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Points expérimentaux obtenus à partir des h locaux
Résultats en hypergravité (1.8 g) et gravité terrestre (1g) similaires
Coefficient de transfert de chaleur global
Conditions
PF63J3
Dh=0.84 mm
Longeur capillaire: 1.8g 0.72mm (Co = 0.8) 1g 0.96 mm (Co = 1.1) µg 4.3 mm (Co = 5.0)
S. Luciani, D. Brutin, C. Le Niliot , O. Rahli, L. Tadrist,, Influence of gravity on heat transfer during flow boiling conditions inside vertical minichannels: an inverse method for local heat transfer estimation, Journal of Multiphase Science and Technology, Preprint 2009.
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Écoulement en gravité normale (1g) cohérent avec la littérature
Accord satisfaisant avec nos points expérimentaux
Conditions
PF63J3
Dh=0.84 mm
Longeur capillaire: 1.8g 0.72mm (Co = 0.8) 1g 0.96 mm (Co = 1.1) µg 4.3 mm (Co = 5.0)
P=20.3 W
Corrélation en gravité normale (1g)
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Conclusion expérimentale
Diminution du coefficient de transfert de chaleur lorsque le titre augmente quelque soit le niveau de gravité
Meilleur transfert de chaleur en microgravité (µg) validés
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Expérimentation en microgravité
Plan de l’exposé
Développement de la méthode inverse
Conclusions et perspectives
Investigation sur les écoulements diphasiques et les méthodes inverses
Contraintes techniques
Formulation de la méthode d’estimation de conditions aux limites inconnues
Contexte scientifique
Prise en compte du terme source
Design de l’expérience
Traitement des données expérimentales issues des vols paraboliques
Inversion des mesures de températures
Analyse de l’ébullition convective
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Conclusions générales
Influence de la gravité sur l’écoulement
Modification de la valeur du coefficient de transfert : plus grand en microgravité (µg) pour les situations traitées
Résultats similaires en gravité normale (1g) et hypergravité (1.8g) pour les situations traitées
Observation des structures d’écoulement en microgravité et obtention du coefficient d’échanges associées
Amélioration des transferts thermiques selon nos observations pour les situations traitées
Inversion 3D expérimentale avec sources linéiques des mesures TC
Instrumentation et matériaux adaptés à notre problème (3D stationnaire)
Éprouvette servant à la fois pour le chauffage et les mesures (indirectes) du flux
Expérience moins adaptée au 3D instationnaire (faible sensibilité au T, lissage des profils, nombre de conditionnement élevé)
Problème mal-posé => solution très sensible aux erreurs de mesures
SVD : outil de régularisation spatial et temporel efficace avec un niveau de troncature choisi avec la courbe en "L"
Erreur relative due au bruit de mesure et à la position (x, y, z) des capteurs maîtrisée
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Instrumentation
Application du 3D instationnaire à d’autres cas que l’ébullition convective
Fluxmètre inverse passif à géométrie complexe
Semelle très fine filmée par caméra IR pour limiter les effets inertiels (par exemple avec la A40 du laboratoire qui a déjà volé) calcul des flux directement à partir des images IR
Perspectives
Traitement des données restantes pour confirmer les premiers résultats
Travail à venir
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Merci de votre attention
50
Add on
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Publications
S. Luciani, D. Brutin, C. Le Niliot, O. Rahli, L. Tadrist, Influence of gravity on heat transfer duringflow boiling conditions inside vertical minichannels: an inverse method for local heat transfer estimation, Journal of Multiphase Science and Technology, Preprint 2009.
S. Luciani, C. Le Niliot, Local heat transfer estimation in microchannels during convective boilingunder microgravity conditions: 3D inverse heat conduction problem using BEM techniques, Journal of Physics: Conference Series: 6th International Conference on Inverse Problems in Engineering, Novembre 2008, Vol. 135 012067 (8pp).
S. Luciani, D. Brutin, C. Le Niliot, O. Rahli, L. Tadrist, Flow boiling in minichannels under normal, hyper and microgravity: local heat transfer analysis using inverse methods, Journal of Heat Transfer, October 2008, Vol. 130, pp 101502-1 1015026-13.
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Positions des soudures et des fils chauffants à 20 µm près
Erreur max de 10 % sur x et y 12 % d’erreur max sur z
Positions évaluées par photographie avant moulage 2006
Positions évaluées par rayons x ESRF 2007
Erreur sur le couples (x,y,z) des thermocouples
Localisation des positions thermocouples
x
y
y
x
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Sensibilité et X-ray barreau ciment
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Taux de vide