Etude numérique sur l’effet des paramètres hydrodynamiques sur le refroidissement par pulvérisation monophasique

Depuis les années 80, de nombreuses études ont été réalisées pour comprendre le refroidissement par spray, dans des configurations très variées. On distingue des refroidissements par spray en milieu confiné, en apesanteur, par aspersion sur des plaques verticales ou horizontales ; avec des recouvrements totaux ou partiels de la surface à refroidir, on rencontre aussi l’utilisation de plusieurs buses simultanément. Les paramètres étudiés concernent les propriétés du spray (diamètre des gouttes, vitesse des gouttes, débit surfacique, flux surfacique de gouttes), ainsi que les propriétés de la surface chauffée (température/régime de refroidissement, état de surface, affinité entre le liquide et le matériau de la surface, formes et dimensions, propriétés thermo physiques du matériau constituant de la surface). L’angle entre l’axe du spray et la plaque, le type de liquide, la dissolution de gaz dans le liquide sont également d’autres paramètres permettant la compréhension du refroidissement par spray. La multitude des configurations étudiées a permis de mettre en lumière les mécanismes du refroidissement par spray. Toutefois, la difficulté se pose lors de la modélisation, en ce qui concerne le nombre et la complexité de ces mécanismes. De ce fait, une bonne compréhension des liens entre les conditions du refroidissement et chacun des mécanismes est nécessaire afin de faciliter l’étude numérique.

La buse contrôle le débit, atomise le liquide en gouttelettes et les disperse selon un motif spécifique. La buse appropriée doit être choisie pour le travail souhaité, aucune buse ne peut répondre à tous les besoins de pulvérisation. Le perfectionnement des caractéristiques du jet lors de la conception de la buse permet d’obtenir une meilleure dispersion et une économie de consommation d’eau. Cependant, l’optimisation des paramètres hydrodynamique du spray permet un meilleur refroidissement et une extraction de la chaleur. Dans ce chapitre trois paramètres hydrodynamiques ont été étudiés par simulation numérique dans le but d’examiner leurs effets sur le refroidissement monophasique.

Simulation transitoire du refroidissement par pulvérisation

L’objectif de ce chapitre est d’étudier l’influence des paramètres impliqués dans le processus de refroidissement par projection d’eau sur une plaque d’aluminium à une température de 92 ° C. Vue que le comportement des paramètres de refroidissement par pulvérisation, lors d’un refroidissement monophasique, est rarement examiné précédemment, et qu’il n’y a que peu d’études sur ce sujet. Une étude détaillée sur l’effet du débit volumique, de la pression du fluide et de la hauteur de la buse au-dessus de la plaque a été réalisée à l’aide de la version 5.2 du code COMSOL Multiphysics. Tout d’abord, une variation du débit de 0,497 à 1 L/min est effectué. Ensuite, la pression d’entrée a été variée de 0,7 à 2,1 bars. L’influence de la distance entre la buse et la surface d’impact a été également étudiée dans une large plage de hauteur (100 à 505 mm). L’influence des paramètres cités précédemment, sur la température, sur l’énergie interne totale, sur le flux de chaleur convectif, sur le nombre de Reynolds, sur la distribution et sur la vitesse des gouttelettes a été étudiée.

Initiation au code COMSOL Multiphysics

La simulation numérique est une approche donnant la possibilité aux chercheurs d’analyser les comportements de plusieurs phénomènes qui par leur complexité, échappent au calcul classique. La modélisation, quant à elle, est la mise en équations de ces phénomènes, pour la large gamme de problèmes scientifiques basés sur des équations aux dérivées partielles, COMSOL Multiphysics peut servir d’une manière puissante et interactive à les résoudre en se fondant sur la méthode des éléments finis ou encore interagir avec des logiciels de programmation tels que Matlab. COMSOL Multiphysics est un outil très employé dans des secteurs divers de recherche, car il facilite amplement les étapes de modélisation et de simulation, soit : la définition de la géométrie, des propriétés physiques des matériaux présents et des conditions aux limite, le maillage, la résolution et l’affichage des résultats. Par ailleurs, le logiciel ne demande pas de connaissances approfondies dans les mathématiques ou les analyses numériques. En effet, toutes les équations nécessaires à la résolution sont déjà prédéfinies, il suffit alors de préciser dans quel domaine (électromagnétisme, transfert de chaleur, acoustique, MDF…) et dans quel régime (stationnaire, temporel…) le modèle doit être construit. Selon le choix, la modélisation est disponible en 1D, 2D, 2D axisymétrique ou encore en 3D.