Experimental Analysis and Modelling of Oscillating Heat Pipes in Aeronautical Context

L’augmentation permanente des densités de flux de chaleur mises en jeu, en contexte aéronautique notamment, et l’évacuation de celles-ci, constitue actuellement une problématique majeure pour les industriels du secteur. Les solutions de refroidissement utilisées jusqu’à aujourd’hui ne suffisent plus à assurer la tenue thermique de ces systèmes, nécessitant l’apport de nouveaux moyens. A ce titre, parmi les solutions existantes, le caloduc oscillant suscite un intérêt croissant de part ses nombreux avantages, comparé aux systèmes diphasiques classiques. C’est pourquoi le projet Optimal, dans lequel s’inscrivent ces travaux de thèse, se propose d’employer cette technologie dans le but d’optimiser le refroidissement de nouvelles turbomachines électriques. Le principe de fonctionnement du caloduc oscillant, simple au demeurant, recèle néanmoins des aspects encore peu maîtrisés. Cette thèse a donc pour objectif, d’une part, d’évaluer les performances d’un tel système dans ce contexte industriel et, d’autre part, d’apporter de nouveaux éléments visant à accroître la compréhension de son fonctionnement, par des moyens expérimentaux mais également numériques.Pour se faire, l’étude expérimentale réalisée au cours de ce projet a consisté au développement d’un prototype, à partir duquel des campagnes d’essais ont été effectuées. Ces essais ont permis de caractériser les performances du système au travers d’investigations paramétriques (fluide de travail, taux de remplissage, inclinaison, puissance injectée, température de source froide, boucle ouverte ou fermée). Il a ainsi pu être observé une amélioration évidente des performances plus spécifiquement sous certaines conditions opératoires, mais également des comportements particuliers liés au fonctionnement de ce système. A cette approche expérimentale s’ajoute une étude théorique basée sur le développement d’un modèle numérique. Face à la complexité des mécanismes thermo-physiques régissant le fonctionnement du caloduc oscillant, ce modèle s’intéresse à un système simplifié, caractérisé par le déplacement d’un système bulle de vapeur, bouchon liquide, dans lequel un film liquide déposé en aval est soumis à une évaporation. Le but ultime étant à terme de décrire précisément la dynamique de ce film liquide, ce modèle a conduit dans le cadre de cette thèse à mettre en évidence l’ensemble des phénomènes physiques associés à l’évaporation en film dans un tube capillaire, et d’établir une cartographie des domaines d’utilisation de ce modèle selon les hypothèses considérées, pour une utilisation ultérieure liée à l’identification expérimentale des paramètres de ce film.The continuous increase of heat flux densities involved in aeronautic context, and their evacuation, represent a major issue nowadays. The solutions used until now are no longer sufficient to ensure the thermal maintenance of these systems, requiring new technologies. Among them, the pulsating heat pipe induces a growing interest. Thus, the French FUI project Optimal suggests employing this technology in order to optimize the cooling of new electric turbomachines. The work led in this PhD aims to evaluate the performances of such a system in this context, by experimental and numerical means.The experimental study which has been conducted consisted in the development of a prototype, starting from which experiments have been led. These tests allowed characterizing the thermal performances of the system through parametric investigations. Thereby, it has been observed an obvious improvement of these performances under some operating conditions, but also several particular behaviors. In addition to that approach, one adds a theoretical study based on the development of a numerical model. Given the complexity of the mechanisms governing the pulsating heat pipe’s operation, this model focuses on a simplified system, characterized by the motion of vapor bubble-liquid slug structure, in which a liquid film, deposited downstream, is subjected to evaporation. This model has conducted to highlight the physical phenomena associated to the thin film evaporation in a capillary tube, and to establish a cartography of its applicability fields, according to the considered assumptions