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Modélisation de caloduc oscillant

Description

La gestion thermique des composants électroniques embarqués devient un des sujets majeurs limitant leur puissance. Des moyens de transfert de chaleur de plus en plus efficaces sont recherchés. Caloduc oscillant (Pulsating Heat Pipe, PHP) est un seul tube capillaire sans structure interne, plié en méandre et bouclé sur lui-même. Une des extrémités du méandre est en contact thermique avec un point chaud, l’autre, avec un point froid. Le PHP renferme un fluide diphasique sous la forme d’un train de bouchons liquides séparés par des bulles de vapeur. L’oscillation chaotique des bouchons liquides commence spontanément après le début du chauffage. Les bouchons se déplacent entre les zones chaude et froide engendrant l’échange de chaleur non seulement par la chaleur latente, mais aussi convectif. Cela fait du PHP un système simple et très efficace par rapport aux autres types des caloducs [1]. Cependant, contrairement à eux, son fonctionnement est non-stationnaire et donc plus difficile à comprendre et à modéliser. Depuis 2007, le CEA étudie le PHP à la fois expérimentalement et théoriquement [2]. Un code de simulation CASCO (Code Avancé de Simulation de Caloduc Oscillant) est développé au CEA [3,4], cf. la vidéo ci-jointe où l'exemple d'un PHP planaire fonctionnant avec l'éthanol est présenté. CASCO décrit correctement les régimes principaux de fonctionnement de PHP qui sont les oscillations continues (en vidéo) et les oscillations intermittentes. Le premier de ces régimes est très efficace ; la performance de PHP dans ce régime ne dépende que peu de la présence de la gravité terrestre [5]. Dans le régime intermittent, les performances sont moins bonnes et se dégradent en absence de la gravité.

L’approche utilisée dans CASCO est unidimensionnelle, ce qui permet de décrire l’interaction des dizaines de bulles de vapeur à l’intérieur du PHP. CASCO est basé sur un modèle simple des films liquides dont l’épaisseur est constante et la longueur est contrôlée par l’évaporation des films [6]. Ce modèle pourtant contredit les données expérimentales récentes obtenues dans le cadre de la thèse de L. Fourgeaud [7-8]. Dans le cadre de ce projet il s’agit d’atteindre trois objectifs. D’abord, il faudra élaborer un modèle de films plus adéquat. Ce nouveau modèle sera étudié dans les géométries les plus simples (PHP monobranche, PHP bi-branche) afin de le valider en comparant avec les données expérimentales existantes. Ce modèle sera utilisé ensuite dans CASCO pour décrire les PHP à branches multiples. Le deuxième objectif de la thèse consiste à étudier la dynamique chaotique des bouchons liquides. Le(a) doctorant(e) étudiera le comportement collectif de bouchons liquides et son impact à la transition dynamique entre les régimes de fonctionnement du PHP. Le troisième objectif est la validation de CASCO par simulation des expériences d’autres groupes de recherche collaborant avec le CEA, notamment ces partenaires du projet Space PHP de l’ESA tels que l’Institut Pprime (ENSMA/Poitiers), Université de Pise (Italie), Université de Brighton (UK)...   Dans le cadre de ce projet, nous profitons de l’absence de la gravité pour augmenter le diamètre du tube (qui restera capillaire) et donc réduire les pertes visqueuses de l’énergie. Le(a) doctorant(e) participera donc dans le projet Space PHP dont le prototype est prévu d’être implémenté sur le plateforme Heat Transfer Host 1 de l’ESA à bord de la Station Spatiale Internationale.

Le(a) doctorant(e) sera basé(e) au centre CEA-Saclay, au Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC) au sein du groupe des Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXité (SPHYNX). Le doctorant bénéficiera de l’infrastructure et de l’environnement de recherche de l’Université Paris-Saclay. Le(a) doctorant(e) sera insrit(e) à l'École doctorale 564 : «Physique en Île-de-France».

Profil

La connaissance de l’hydrodynamique physique ou dynamique nonlineaire est nécessaire. La maitrise des méthodes numériques et de la programmation C++ sous MS Visual Studio est souhaitable.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : CEA, Saclay
Directeur(rice) de thèse/recherche : NIKOLAEV Vadim
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : vadim.nikolayev@cea.fr
Responsable Cnes de l'offre : DELAROCHE Christophe

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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