Soutenance de thèse de Mohammed SAID

Les dispositifs microfluidiques ont suscité un grand intérêt dans le domaine de la gestion thermique en raison de leur contrôle précis de l'écoulement des fluides, qui améliore le transfert de chaleur. Les applications des dispositifs microfluidiques comprennent le refroidissement électronique, les échangeurs de chaleur à micro-échelle et les microréacteurs.

Alors que de nombreuses études se sont concentrées sur l'écoulement monophasique dans les microcanaux, la recherche sur l'écoulement diphasique, en particulier l'écoulement de Taylor, reste limitée. L'écoulement de Taylor est une dispersion périodique des gouttelettes ou des bouchons dans une phase porteuse continue. D'après la littérature, ce type d'écoulement offre de meilleures performances de transfert de chaleur que l'écoulement monophasique. Il est donc impératif d'acquérir des connaissances sur ce type d'écoulement et de comprendre son comportement dans les microcanaux rectangulaires et carrés.

Cette thèse propose une étude numérique et expérimentale de l’hydrodynamique et du transfert de chaleur d’un écoulement de Taylor dans un microcanal rectangulaire.

La première partie est consacrée à la simulation numérique 3D sous ANSYS Fluent, avec une modélisation de l’interface par la méthode Volume of Fluid (VOF). L’impact de paramètres clés tels que le rapport de débit, le rapport de viscosité et le nombre capillaire a été étudié. Il a été observé que l’épaisseur du film liquide augmente lorsque le rapport de débit diminue, ce qui influence fortement la vitesse des gouttelettes. Le nombre capillaire, basé sur la vitesse des deux phases, s’est révélé être le paramètre le plus déterminant pour la forme des gouttelettes et des bouchons.

Après l'analyse hydrodynamique, la performance thermique de l’écoulement de Taylor a été étudiée numériquement en supposant d’abord des propriétés thermophysiques constantes, puis en intégrant une viscosité dépendante de la température via une fonction définie par l’utilisateur (UDF). Les résultats montrent une amélioration du transfert de chaleur allant jusqu’à 440 % par rapport à l’écoulement monophasique. L’introduction de la dépendance température-viscosité a permis une amélioration supplémentaire de 20,8 % de l’efficacité thermique.

La deuxième partie de la thèse présente une étude expérimentale visant à valider les résultats numériques et à approfondir l’analyse de l’écoulement de Taylor dans des microcanaux en T. Diverses combinaisons de fluides ont été testées, en variant le rapport de débit, et le nombre capillaire. Les résultats expérimentaux montrent que le mécanisme de formation des gouttelettes et la compétition des forces au niveau de la jonction influencent fortement l’hydrodynamique de l’écoulement de Taylor. La vitesse des deux phases et le rapport de viscosité ont un effet notable sur la longueur, la forme, la vitesse et la fréquence de génération des gouttelettes et des bouchons.

De plus, l’effet du rapport de débit sur la fréquence de génération des gouttelettes dépend de la phase (continue ou dispersée) employée pour varier le rapport de débit. Nous avons également constaté que la forme des gouttelettes/bouchons peut dépendre du type de la jonction utilisée pour générer les gouttelettes, avec les rayons de courbure de l’avant et de l’arrière qui diminuent en augmentant le rapport de débit ou le nombre Ca, en accord avec nos résultats numériques.

Rapporteurs

• Abdel EL ABED, MCF-HDR, ENS Paris Saclay
• Sefiane KHELLIL, Professeur des Universités, Université d'Edimbourg

Examinateurs

• Rachid BENNACER, Professeur des Universités, ENS Paris Saclay
• Hakim NACEUR, Professeur des Universités, UPHF -Valenciennes-

Invitée

• Nora NAIT BOUDA, Professeur des Universités, USTHB -Alger-

Directrice de thèse

• Souad HARMAND, Professeur des Universités, UPHF -Valenciennes-