Cycle d’ébullition nucléée sous-saturée convective

Les mécanismes inhérents à l’ébullition diffèrent selon les caractéristiques des écoulements modéli- sés :

- type d’écoulement - ébullition nucléée en vase (écoulement stagnant) ou ébullition nucléée convec- tive,

- régime de transfert thermique de l’écoulement - ébullition nucléée sous-saturée ou saturée, - orientation de la gravité - écoulement horizontal ou vertical (ascendant ou descendant).

Toutefois, de manière générale, le cycle de l’ébullition nucléée sous-saturée convective peut être divisé en deux étapes successives. Il s’agit :

- première étape - naissance et croissance d’une bulle à partir d’un germe de vapeur piégé dans un site de nucléation (cavité de la paroi),

- deuxième étape (éventuelle) - croissance de la bulle lors du glissement de celle-ci sur la paroi.

* Première étape - naissance et croissance d’une bulle à partir d’un germe de vapeur piégé dans un site de nucléation (cavité de la paroi).

Pour qu’une bulle de vapeur puisse se créer sur une paroi, il est nécessaire qu’un germe de vapeur soit piégé dans un site de nucléation. Sous certaines conditions thermodynamiques du liquide et

géométrique de la cavité, ce site de nucléation de rayon rc va être activé et permettre la croissance

d’une bulle de vapeur à partir du germe de vapeur (d’après les travaux de Hsu (1962, [26]). Il est

alors nécessaire que la température autour de l’embryon de vapeur soit supérieure ou égale à la

surchauffe pariétale de la paroi permettant de maintenir l’embryon de vapeur de rayon rc à l’équi-

libre).

Lors des tous premiers instants, la croissance de la bulle est gouvernée par les effets inertiels. La bulle va alors prendre une forme plutôt hémisphérique.

Une fine couche liquide, appelée micro-couche (fig. (2.3)) va apparaître entre la bulle et la paroi et

alimenter la croissance de la bulle en se vaporisant (phénomène limité par la capacité de la chaleur latente de vaporisation à être conduite au travers de l’interface liquide/vapeur). Les bulles formées prennent alors une forme plus sphérique.

Dans le cas de l’ébullition nucléée sous-saturée, la croissance des bulles par vaporation de la micro- couche peut être accompagnée d’une recondensation à leur sommet. En effet, il existe un gradient

de température perpendiculaire à la paroi (fig. (2.4)) ; la température du liquide passe de la tem-

pérature de la paroi à une température plus basse au cœur de l’écoulement. Selon leur taille et l’épaisseur de la couche limite thermique, les bulles en croissance sur la paroi peuvent donc être en contact avec du liquide à une température inférieure à la température de saturation. Elles vont alors se recondenser, transmettant une partie de leur chaleur au liquide froid qui par conséquent va se réchauffer.

On distingue deux types d’échanges thermiques lors de cette première étape s’appliquant sur des zones précises de la paroi, avec répartition des flux en deux composantes :

- le flux de vaporisation φvap qui correspond à la quantité de chaleur transférée par la paroi

pour permettre la vaporisation de la micro-couche. Il s’applique au niveau de l’aire influen-

cée par les bulles. Cette aire correspond à l’aire de projection des bulles sur la paroi ; selon

les auteurs de la littérature, elle peut être multipliée par un coefficient permettant de prendre en compte, par exemple, la proximité des sites de nucléation,

- le flux de convection forcéeφfc qui correspond à la quantité de chaleur extraite de la paroi

par l’écoulement. Il s’applique au niveau de l’aire non-infuencée par les bulles. Cette aire correspond simplement à la zone de la paroi complémentaire de l’aire influencée par les bulles.

L’échange thermique par recondensation (flux de recondensationφc), qui correspond à la quantité

de chaleur soustraite aux bulles en croissance par recondensation de la vapeur en liquide, n’est pas prise en compte dans cette liste dans la mesure où il s’agit d’un mode de transfert de chaleur indirect entre la paroi et le liquide. Cependant, il peut être modélisé en considérant que le flux

de vaporisation est égal à la somme du flux de recondensation et du flux net d’évaporation φe

(représentant la quantité de chaleur latente nette présente dans les bulles ayant quitté la paroi).

Croissance par évaporation la micro-couche Micro-couche liquide surchauffée

FIG. 2.3 – Croissance par évaporation de la micro- couche

Couche limite thermique y=δt

T∞

T(y) Tw

FIG. 2.4 – Schématisation du gradient de tempé- rature du liquide à la paroi

A la fin de sa croissance sur son site de nucléation, la bulle atteint un diamètre maximum à partir duquel deux scénarios sont possibles :

- la bulle décolle directement de la paroi pour se trouver advectée dans l’écoulement (convec- tion forcée) ; le diamètre maximum de la bulle sur son site de nucléation correspond alors au

diamètre de décollage. Au moment du décollage de la bulle de la paroi, celle-ci entraîne du

liquide froid dans son sillage qui vient remouiller la paroi, brisant ainsi la couche limite ther- mique au niveau de l’aire influencée par la bulle sur son site de nucléation. Un échange de chaleur par conduction instationnaire permet alors de reconstituer la couche limite au niveau de cette zone et ainsi d’obtenir les conditions thermohydrauliques nécessaires à la réactiva- tion du site de nucléation. Lors du décollage de la bulle de son site actif de nucléation, on distingue deux types d’échanges thermiques différents :

 le flux de convection forcée ; il s’applique comme précédemment sur l’aire non-influencée

par les bulles,

 le flux de conduction instationnaire φtc; il s’applique cette fois sur l’aire influencée

par les bulles au moment de leur décollage.

- la bulle se détache de son site actif de nucléation et glisse ensuite le long de la paroi chauf- fante ; le diamètre maximum de la bulle sur son site de nucléation est alors appelé diamètre

de détachement.

* Deuxième étape (éventuelle) - croissance de la bulle lors du glissement de celle-ci sur la paroi. Lors du glissement, la bulle pourra continuer à croître par évaporation de la micro-couche sous la bulle et/ou par coalescence avec d’autres bulles présentes sur la paroi mais également se recon- denser. Les échanges de chaleur sont modifiés lors de la croissance des bulles pendant glissement. En effet, lorsqu’une bulle se détache pour glisser le long de la paroi chauffante, elle entraîne du liquide froid derrière son sillage permettant de remouiller la paroi tout comme lors du décollage de la bulle de son site actif de nucléation. La zone de la paroi balayée par la bulle est alors le siège d’un échange thermique par conduction instationnaire permettant de reconstituer la couche limite thermique.

Par conséquent, un échange thermique supplémentaire est à considérer en plus de ceux décrits lors de la croissance sur site de nucléation. Il s’effectue au travers d’un flux de conduction instation-

naire pendant glissement φtc,sl et s’applique au niveau de l’aire de glissement définie comme

Lors du glissement de la bulle sur la paroi, celle-ci peut atteindre un diamètre suffisant lui permet- tant de décoller de la paroi. Les mécanismes associés au décollage de la bulle après glissement sont alors identiques à ceux rencontrés lors du décollage de la bulle de son site actif de nucléation. On distingue donc également deux types d’échanges thermiques différents :

- le flux de convection forcée, - le flux de conduction instationnaire.

Dans le cas où plusieurs cycles de nucléation asynchrones se déroulent sur la paroi, une moyenne spatio-temporelle des échanges thermiques doit être réalisée. Certains modèles d’ébullition nucléée sous-

saturée convective modélisent, par exemple, un flux d’ébullition nuclééeφnbqui correspond à la super-

position de tous les échanges de chaleur liés à la nucléation (vaporisation, recondensation et conduction instationnaire).

La représentation de l’ébullition nucléée dépend du régime de transfert thermique considéré et du niveau de modélisation visé. Le paragraphe suivant est consacré à l’examen des différents types de mo- délisation de l’ébullition nucléée sous-saturée.