Champs thermiques

a) Micro-canaux rectangulaire "MCR" : (e= 0.35 mm et q = 75 W/cm2)

La configuration MCR a les mêmes dimensions que celles du prototype expérimental de A.Hamza [49,50] (L×W×H = 100×16×1.6 mm3). La hauteur de la base est égale à celle du couvercle (3mm). Un flux de chaleur constant de 75 W/cm2 est appliqué à la base. L’espacement du passage fluide (canal) est e = 0.35 mm, l’épaisseur des parois solides entre les canaux est de 0.7mm et le nombre de canaux est égal à 15.

(a)

(b)

Figure 4. 21 – Contours de température : coupes longitudinales passant par (a) canal (b) ailette (ṁ = 3 kg/mn et q = 75 W/cm2)

L’examen de la figure 4.21(a) montre que la température du fluide change significativement dans le dernier tiers de la longueur du canal. La température du couvercle est quasi-stable à 313 K le long d’une majeure partie longitudinale. La variation de température en amont est due au flux de chaleur conductif à l’entrée. La température de la base varie d’environ 313 K (à l’entrée) à plus de 325 K à la sortie.

Figure 4. 22 – Contours de température : coupe transversale (à x = 0, 10, 50, 90 et 100 mm)

La figure 4.22 montre qu’à x = 0 la température dans les canaux est quasi-uniforme, une légère variation aux extrémités est palpable 303 K – 306 K. Des ondulations légères (dues à l’alternance canal-ailette) dans la base sont observées pour toutes les positions x. En revanche, les ondulations sont plus importantes dans le couvercle, notamment près de la zone fluide (canaux), et les minimas sont situés dans ce voisinage. Le rétrécissement progressif de la zone froide est dû à l’homogénéisation de la température de l’écoulement.



H

100%H

50%H

0%H

Figure 4. 23 – Contours de température : coupe longitudinale (plan xz) à différentes hauteurs dans le canal (ṁ=3kg/mn)

La figure 4.23 présente le contour de température à différentes hauteurs dans les canaux : 0%H à la base des canaux, 50%H à mi-hauteur et 100%H affleurant le haut des canaux (interface canal-couvercle). Elle illustre la variation de la température au sein même des canaux de cause du chauffage asymétrique (uniquement la base du dissipateur est chauffée).

• Différents débits : 3 kg/mn Ts = 311 K Re = 5100 1 kg/mn Ts = 324 K Re = 1700 0.5 kg/mn Ts = 349 K Re = 850 0.2 kg/mn Ts = 370 K Re = 340

Figure 4. 24 – Contours de température : coupes longitudinales (plan xy)

La figure 4.24 met en évidence la variation de la température pour différents débits. Elle corrobore l’explication attribuée au temps de résidence dans le canal. En effet, le champ de température dans le fluide et le solide, subit une variation importante à faible nombre de Reynolds. La température de sortie atteint 370K pour Re = 340, alors qu’elle n’est que de 311K pour Re=5100. Ce résultat montre que pour avoir un bon

refroidissement dans les micro-canaux à ailettes rectangulaires, il est important d’opérer à des débits élevés. Cependant, ceci ne permet pas d’assurer une homogénéisation de la température sur la surface du couvercle ou de la base du dissipateur, objectif qui peut être crucial lorsqu’on souhaite minimiser l’écart de température entre les différents points d’une même surface comme dans le cas d’un refroidissement des optiques qui reçoivent le rayonnement synchrotron de fortes densités.

b) Micro-canaux à picots "MCP" (e=0.35mm)

La configuration à picots MCP a les mêmes dimensions que celles du prototype expérimental de Hamza [49,50] (LWH=100161.6 mm3), la base et le couvercle ont une épaisseur de 3mm. Un de flux de chaleur constant de 350 W/cm2 est appliqué à la base. L’espacement du passage fluide (canal) est e = 0.35 mm, la section du picot est 1.7×1.7 mm2.

Figure 4. 25 – Configuration à picots MCP (e=0.35mm)

Figure 4. 26 – Contours de température : coupes transversales (1ère, 17ème et 34ème picot)

La figure 4.26 présente les contours de température sur des coupes transversales en trois abscisses, on y voit que la configuration des picots permet de garder un excellent refroidissement tout au long du dissipateur même à très faible nombre de Reynolds (Re=100).



H = 1.6 mm

La figure 4.27 est illustrative pour montrer la variation de température dans les picots et l’espace fluide à différentes positions. Une étude paramétrique basée sur le débit est menée ci-dessous.

• Cas de plus faible débit : (ṁ = 0.05 kg/mn, Re = 100 et Uin = 0.015 m/s)

Y=4.7mm zone solide Y=4.65mm zone solide Y=4.6mm interface Y=4.5mm zone fluide Y=4.2mm zone fluide Y=3.8mm zone fluide Y=3.5mm zone fluide Y=3.3mm zone fluide Y = 3mm interface Y = 2mm zone solide Y = 1mm zone solide Y=0.5mm zone solide

Figure 4. 27 – Contours de température : coupes longitudinales (plan xz) à différentes positions y La figure 4.27 représente les contours de température sur différentes coupes longitudinales à différentes hauteurs (y) à partir de la base de chauffage. L’examen de

cette figure pour Y = 0.5 mm (1er contour à partir du bas) montre que la température est de l’ordre de 338K près de la base. En amont, la température est inférieure à celle de la partie en dessous des picots, la température varie de 320 à 329K. La différence par rapport à la partie en dessous des picots s’explique par le fait que celle-ci enveloppe simplement du fluide sans picots, à l’instar de l’aval. L’effet des picots se fait sentir au niveau des iso-valeurs du champ de température à titre d’exemple Y=4.65mm, Y=4.7mm.

• Avec différents débits : Re varie de 100 à 2000

0.02 kg/mn Tout = 310K 350 W/cm2 0.05 kg/mn Tout = 309.6K 350 W/cm2 0.1 kg/mn Tout = 308.8K 350 W/cm2 0.2 kg/mn Tout = 308.2K 350 W/cm2 0.5 kg/mn Tout = 307.6K 350 W/cm2 1 kg/mn Tout = 304.8K 350 W/cm2

Figure 4. 28 – Contours de température : coupes longitudinales (plan xy)

La figure 4.28 montre que la présence des picots permet un meilleur refroidissement par rapport au cas canaux rectangulaires. En effet, la température de sortie du fluide est de l’ordre de 308K pour un débit de 0.2 kg/mn pour la configuration à picots contre 370K dans le cas de canaux. La température est maintenue à un niveau réduit dans le solide (base et couvercle) comparativement au cas avec ailette rectangulaire. L’efficacité du refroidissement augmente au fur et à mesure que le débit augmente : pour un débit de 1 kg/mn la température de sortie est à 304.8K.

Les champs thermiques pour une largeur de canal 1.6mm et une densité de flux q=100kW/m2 sont présentés en annexe C. ils confirment les constatations générales pour e=0.35mm.