Academic literature on the topic 'Hydrodynamique et changement de phase'

L'objectif principal de cette thèse est d'étudier, à l'aide d'un code de calcul numérique et d'une caractérisation sur banc d'essai, les performances et le comportement de différentes garnitures mécaniques à rainures spirales, habituellement utilisées pour dez gaz, en application de lubrification avec un liquide. La finalité de ce travail sera de statuer sur la possibilité de remplacer les garnitures mécaniques à faces lisses employées dans les applications liquides de type turbopompe cryogénique de lanceurs spatiaux par des garnitures mécaniques à faces rainurées en spirale.L'étude bibliographique présente différents travaux théoriques et expérimentaux réalisés sur la texturation de surface, le changement de phase et de la turbulence. Ces deux derniers points peuvent se produire en présence d'un fluide cryogénique. Un modèle numérique a été développé en éléments finis. Il résout l'équation de Reynolds et l'équation de l'énergie dans le film fluide. Cette dernière est formulée en enthalpie et considère le changement de phase du fluide comme un mélange homogène. Le couplage fluide/solides est considéré pour obtenir les déformations thermoélastiques des solides. La partie suivante de cette étude présente des essais expérimentaux, avec de l'eau, de garnitures mécaniques avec différentes profondeurs de rainures spirales. Une comparaison avec des faces lisses à été réalisée et montre que le couple de frottement est moins élevé lorsque des rainures spirales sont utilisées. En revanche, leur débit de fuite est plus élevé. Des changements nets de comportement apparaissent tels que de la transition laminaire-turbulent à partir d'un nombre de Reynolds de 1500, ainsi que du changement de phase à faible charge, fortes vitesse de rotation et température d'alimentation. La dernière partie confronte le modèle théorique thermoélastohydrodynamique aux essais expérimentaux en régime d'écoulement laminaire, pour un fluide monophasique et diphasique. Le modèle de changement de phase développé permet de reproduire les observations expérimentales. Malgré quelques difficultés de convergence en écoulement diphasique, le modèle pourra être utilisé pour le développement de garnitures dans des applications industrielles<br>The main objective of this thesis is to study, through a numerical model and experimentations, the performance and behaviour of different spiral groove face seals, usually used for gas applications, in the case of liquid lubrication. The aim of this work will be to evaluate the eventuality to replace smooth mechanical face seals used in liquid cryogenic turbopumps space rocket applications by spiral groove face seals.The literature presents different theoretical and experimental studies on surface texturing, two-phase flow and turbulence. These last two points may appear when sealing a cryogenic fluid. A numerical model has been developped in finite elements. It solves the Reynolds equation and the energy equation into the fluid film. This equation is expressed using the enthalpy and can thus be used in case of homogeneous fluid phase change. Fluid/structure coupling is considered to obtain thermoelastic deformations of the solids. The next part of this study is dedicated to experiments with water lubricated spiral groove face seals with different groove depths. A comparison with smooth face seals has been done showing that the friction torque of the spiral groove face seals is lower than the smooth face seals one. On the other hand, the spiral groove flow rate is higher. Sharp changes in behaviour such as, laminar to turbulent transition from a Reynolds number equals to 1500, or two-phase flow at low pressure, high angular speed and supplying temperature of the fluid, are observed. The last part compares the thermoelastohydrodynamic theoretical model to experimental results in laminar flow, for one-phase and two-phase flow. The model is able to capture the experimental findings. Even if some convergence difficulties are encountered in two-phase flow, the model can be used for seal design in industrial applications

Dans le cadre spécifique des impulsions sub-picosecondes, le temps de dépôt de l'énergie est inférieur au temps de chauffage des ions, mais suffisamment long pour que les électrons soient chauffés. La matière se trouve alors mécaniquement et thermiquement hors équilibre à la fin de l'impulsion. L'équilibre thermique entre les électrons et les ions est atteint après quelques picosecondes. Cette thèse consiste en l'étude et la modélisation des processus de relaxation intervenant dans des cibles métalliques irradiées par de telles impulsions laser. Une étude des comportements hydrodynamique et thermodynamique de la cible à l'échelle de la picoseconde est effectuée. Une équation d'état à deux températures est développée pour décrire la matière hors équilibre thermique (lorsque les températures électronique et ionique sont différentes), et les notions de spinodales hors équilibres et limite de cohésion sont introduites. Ce modèle est appliqué aux expériences d'ablation effectuées sur des cibles d'aluminium et de cuivre et a montré un bon accord avec les résultats expérimentaux. Par la suite, lorsque les températures sont équilibrées, un examen de la détente avec transition de phase liquide-vapeur est mené. Une estimaton de la répartition de la masse de matière liquide à travers la détente est effectuée, et un rayon moyen des gouttelettes liquides éjectées est déterminé en considérant le bilan des forces exercées sur la masse de liquide.

Nous développons dans ce travail de thèse un outil de simulation numérique pour les matériaux à changement de phase (MCP), en tenant compte du phénomène de convection naturelle dans la phase liquide, pour des configurations en deux et trois dimensions. Les équations de Navier-Stokes incompressible avec le modèle de Boussinesq pour la prise en compte des forces de flottabilité liées aux effets thermiques, couplées avec une formulation de l’équation d’énergie suivant la méthode d’enthalpie, sont résolues par une méthode d’éléments finis adaptatifs. Une approche mono-domaine, consistant à résoudre les mêmes systèmes d’équations dans les phases solide et liquide, est utilisée. La vitesse est ramenée à zéro dans la phase solide, en introduisant un terme de pénalisation dans l’équation de quantité de mouvement, suivant le modèle de Carman-Kozeny, consistant à freiner la vitesse à travers un milieu poreux. Une discrétisation spatiale des équations utilisant des éléments finis de Taylor-Hood, éléments finis P2 pour la vitesse et éléments finis P1 pour la pression, est appliquée, avec un schéma d’intégration en temps implicite d’ordre deux (GEAR). Le système d’équations non-linéaires est résolu par un algorithme de Newton. Les méthodes numériques sont implémentées avec le logiciel libre FreeFem++ (www.freefem.org), disponible pour tout système d’exploitation. Les programmes sont distribués sous forme de logiciel libre, sous la forme d’une forme de toolbox simple d’utilisation, permettant à l’utilisateur de rajouter d’autres configurations numériques pour des problèmes avecchangement de phase. Nous présentons dans ce manuscrit des cas de validation du code de calcul, en simulant des cas tests bien connus, présentés par ordre de difficulté croissant : convection naturelle de l’air, fusion d’un MCP, le cycle complet fusion-solidification, chauffage par le bas d’un MCP, et enfin, la solidification de l’eau<br>In this thesis we develop a numerical simulation tool for computing two and three-dimensional liquid-solid phase-change systems involving natural convection. It consists of solving the incompressible Navier-Stokes equations with Boussinesq approximation for thermal effects combined with an enthalpy-porosity method for the phase-change modeling, using a finite elements method with mesh adaptivity. A single-domain approach is applied by solving the same set of equations over the whole domain. A Carman-Kozeny-type penalty term is added to the momentum equation to bring to zero the velocity in the solid phase through an artificial mushy region. Model equations are discretized using Galerkin triangular finite elements. Piecewise quadratic (P2) finite-elements are used for the velocity and piecewise linear (P1) for the pressure. The coupled system of equations is integrated in time using a second-order Gear scheme. Non-linearities are treated implicitly and the resulting discrete equations are solved using a Newton algorithm. The numerical method is implemented with the finite elements software FreeFem++ (www.freefem.org), available for all existing operating systems. The programs are written and distributed as an easy-to-use open-source toolbox, allowing the user to code new numerical algorithms for similar problems with phase-change. We present several validations, by simulating classical benchmark cases of increasing difficulty: natural convection of air, melting of a phase-change material, a melting-solidification cycle, a basal melting of a phase-change material, and finally, a water freezing case

Le caloduc est un dispositif de transport à haute performance dont le principe de fonctionnement repose sur le transfert thermique par changement de phase d'un fluide. Son utilisation est devenue courante sur les satellites de télécommunication afin d'en assurer le contrôle thermique. La majorité d'entre eux se compose d'une structure capillaire interne réalisée par des rainures axiales. La modélisation thermique et hydraulique des caloducs rainurés pour application spatiale nécessite une connaissance accrue du comportement des écoulements dans les rainures. Ainsi, même si l'écoulement est normalement laminaire, une surface libre gouvernée par les forces de capillarité rend difficile la détermination du coefficient de frottement au sein de la rainure. Un banc expérimental permettant la visualisation de l'interface liquide-vapeur au sein de différents profilés de caloduc a donc été développé. Cette expérience, associée à un programme de traitement d'images permet de déterminer la hauteur de liquide et du rayon de courbure du ménisque. La comparaison des résultats obtenus en écoulement laminaire isotherme, avec des simulations numériques ont permis de mieux appréhender l'influence de la tension de surface sur l'écoulement liquide. Dans un second temps, des développements conséquents du banc ont permis de l'aménager pour assurer des visualisations des interfaces liquide-vapeur en conditions thermiques. Les premières exploitations ont révélés des éléments intéressants de caractérisation du comportement du fluide dans la zone évaporateur du caloduc<br>Heat pipe is a high performance device of thermal transfer which operation principle is based on the change of state of a fluid. Its utilization has become common on telecommunication satellite in order to assure the thermal management. Most of them are composed of an intern capillary structure made of axial grooves. High performance heat pipe modelling needs an increased knowledge of flow behaviour inside these grooves. Thus, even if this flow is usually laminar, a free surface governed by capillarity leads to many difficulties in the mean friction factor calculation. In this study, an experimental set-up has been developed in order to visualize the liquid-vapour interface for different axially grooved heat pipes. This experimentation, associated with image processing programs, allows the measurement of height of liquid and meniscus radius. The comparison between experimental results for an isotherm laminar flow and numerical simulations lead to a better knowledge of the surface tension influence on the liquid flow. In a second time, some modifications have been made on the experimental set-up in order to visualize the liquid-vapor interface in thermal condition. The first results have shown some interesting element concerning the characterization of the flow behaviour in the evaporator zone

Ce travail porte sur la simulation numérique des écoulements multiphasiques compressibles en déséquilibre de vitesses. Un solveur de Riemann diphasique de type HLLC, à la fois robuste, simple et précis est développé et validé à partir de solutions exactes et de données expérimentales. Cette méthode numérique est étendue au cas 3D non-structuré. Par ailleurs, la construction d’une technique numérique pour la répartition de l’énergie d’une onde de choc dans les différentes phases constituant le milieu est établie et permet le respect des conditions de choc multiphasiques. L’extension multiphasique du solveur de Riemann de type HLLC est réalisée, permettant ainsi la simulation d’une plus large gamme d’applications. Enfin, un modèle de transfert de chaleur et de masse dans un brouillard de gouttes ou nuage de bulles, en présence d’effets couplés de diffusion thermique et massiques, est proposé et dévoile des résultats intéressants<br>This work deals with the numerical simulation of compressible multiphase flows in velocity disequilibrium. A HLLC-type two-phase Riemann solver is developed and validated against exact solutions and experimental data. This solver is robust, simple, accurate and entropy preserving. The numerical method is then implemented in 3D unstructured meshes. Furthermore, a numerical technique consisting in enforcing the correct energy partition at a discrete level in agreement with the multiphase shock relations is built. The multiphase extension of the HLLC-type Riemann solver is realized and allows the simulation of a wide range of applications. Finally, a droplet heat and mass transfer model with large range of validity is derived. It is valid in any situation: evaporation, flashing and condensation. It accounts for coupled heat and mass diffusion in the gas phase, thermodynamics of the multi-component gas mixture and heat diffusion inside the liquid droplet, enabling in this way consideration of both droplets heating and cooling phenomena

La mémoire à changement de phase (ou PCM) est considérée actuellement comme la plus mature des technologies émergentes susceptibles de pallier les limitations de la mémoire Flash-NOR pour le futur des applications embarquées. Afin de permettre la conception de circuits à base de PCM, l’utilisation d’outils tels que la simulation SPICE est nécessaire, impliquant le besoin de modèles compacts de PCM. Ces modèles doivent être rapides, continus, et précis ; à ce jour aucun modèle de la littérature ne remplit l’ensemble de ces exigences.L’objectif de cette thèse est de proposer un nouveau modèle compact de PCM, permettant la conception de circuits à base de PCM. Le modèle que nous avons développé est entièrement continu, validé sur une large gamme de tension, courant, temps et température. Construit à partir de connaissances physiques sur le fonctionnement du dispositif, il utilise un emballement thermique dans le mécanisme de Poole-Frenkel pour modéliser le seuil de commutation de la phase amorphe. L’introduction d’une variable de fraction fondue, dépendante uniquement de la température, ainsi que d’une vitesse de cristallisation dépendante de la fraction amorphe, permet la bonne modélisation de l’ensemble des dynamiques temporelles de changement d’état. De plus, une méthodologie d’extraction optimisée de la carte modèle est proposée à la suite de la validation du modèle, reposant sur une étude de sensibilité des paramètres de la carte modèle et un ensemble simple de caractérisations électriques, autorisant l’adaptation du modèle à chaque variation des procédés de fabrication pour garantir l’utilité du modèle à toutes les étapes du développement des technologies PCM<br>Phase-change memory (PCM) is arguably the most mature emerging nonvolatile memory, foreseen for the replacement of the mainstream NOR-Flash memory for the future embedded applications. To allow the design of new PCM-based products, SPICE simulations, thus compact models, are needed. Those models need to be fast, robust and accurate; nowadays, no published model is able to fill all these requirements.The goal of this thesis is to propose a new compact model of PCM, enabling PCM-based circuit design. The model that we have developed is entirely continuous, and is validated on a wide range of voltage, current, time and temperature. Built on physical insights of the device, a thermal runaway in the Poole-Frenkel mechanism is used to model the threshold switching of the amorphous phase. Besides, the introduction of a new variable representing the melted fraction, depending only on the internal temperature, along with a crystallization speed depending on the amorphous fraction, allow the accurate modeling of all the temporal dynamics of the phase transitions. Moreover, an optimized model card extraction flow is proposed following the model validation, relying on a sensibility analysis of the model card parameters and a simple set of electrical characterizations. It enables the adjustment of the model to any process variation, and thus ensures its accuracy for the design modeling at every step of the technology development

Cette thèse aborde la question du Changement Catégoriel dans la Perception et propose une approche Dynamique qui s'appuie sur la Théorie des Catastrophes et le modèle de la FRONCE. Dans nos travaux, nous assimilons les catégories perceptives à des attracteurs d'un système dynamique non linéaire. Si notre postulat est juste, alors, un ensemble de phénomènes non linéaires théoriquement associés doivent pouvoir être observé conjointement dans un changement catégoriel qui pourrait alors être considéré comme une transition de phase. Nous avons porté notre attention sur le phénomène d'Hystérèse, déjà abondamment exploré en perception, ainsi que sur les phénomènes de divergence et de ralentissement critique. Au travers d'une série de sept expérimentations, nous confrontons l'ensemble de ces hypothèses. Nous avons confirmé la présence de ces trois phénomènes lors d'un changement catégoriel. Les résultats montrent que l'hystérèse, la divergence et le ralentissement critique sont des phénomènes observés conjointement lors d'un changement de catégorie, mais qu'ils sont aussi quantitativement reliés, comme permettait de le prédire le modèle de la fronce issue de la théorie des catastrophes. D'une manière générale, nous avons conclu que les catégories perceptives étaient fortement similaires à des d'attracteurs et que l'étude et la modélisation des changements dans la perception devraient présenter un aspect nécessairement dynamique.

Dans le domaine de l'enregistrement reversible sur disque optique, la technologie changement de phase concurrence depuis peu la suprematie de l'enregistrement magneto-optique. Dans cette these sont abordes les aspects cles de l'enregistrement a changement de phase. Les alliages a base de tellure entrant dans l'elaboration de ces disques optiques doivent pouvoir passer de facon reversible d'un etat amorphe a un etat cristallin. L'utilisation de trois types de materiaux a ete envisagee. Il s'agit des alliages ternaires gesbte et insbte ainsi que de l'alliage quaternaire aginsbte. Une etude bibliographique des travaux effectues sur ces materiaux a changement de phase est presentee dans cette these. Diverses experimentations (caracterisation structurale, analyse de la cinetique de cristallisation) ont ete effectuees sur quelques compositions. Les comportements optique et thermique des systemes de couches minces utilises en enregistrement optique a changement de phase sont modelises. Les simulations numeriques se revelent etre un outil indispensable et permettent d'optimiser les proprietes du disque optique en ecriture et en lecture. Des prototypes de disques optiques re-inscriptibles a changement de phase sont realises. Ceux elabores a partir d'un alliage de composition ge#2sb#2te#5 donnent les meilleurs resultats. La derniere partie de cette these aborde la faisabilite de disques optiques a plusieurs niveaux d'information disposes sur un meme substrat. Des solutions sont proposees pour l'elaboration d'un disque comportant un niveau d'information pre-enregistre sur lequel est superpose un niveau d'information re-inscriptible. Le cas d'un disque optique a deux niveaux re-inscriptibles a changement de phase est aussi envisage. Ce document constitue une synthese sur l'enregistrement optique a changement de phase et les resultats obtenus permettent d'envisager des applications industrielles. Il ouvre aussi certaines perspectives sur les futures generations de disques optiques.

"Ce travail porte sur la réduction et l'inversion de problèmes de conduction avec changement de phase. Nous proposons dans un premier temps différentes méthodes permettant de réduire efficacement ces problèmes fortement non linéaires. Il s'agit, pour la plupart, de méthodes spectrales "a priori" reposant sur la troncature de la base singulière. On distingue dans ce travail trois cas de figure. Le premier implique des conductivités thermiques indentiques en phases solide et liquide. Le second lève cette restriction de conductivités thermiques constantes mais impose des conditions aux limites particulières (Dirichlet et/ou Neumann). Le troisième, enfin, voit la mise en place de deux approches distinctes visant à réduire des problèmes généraux, c'est-à-dire à conductivités thermiques variables et pour tout type de conditions limites. La première est une méthode spectrale "a posteriori" de type P. O. D. Et la seconde repose de nouveau sur la base singulière mais pondérée en considérant un modèle de sollicitations de type Markovien. Différents tests numériques ont, à chaque étape, permis de mettre en évidence la qualité des méthodes proposées. La seconde partie de ce travail est consacrée à l'estimation de fonctions enthalpie/température qui résument à elles seules l'essentiel du phénomène de changement de phase. La méthode proposée repose sur l'écriture d'un problème d'estimation de sources par inversion d'un modèle linéaire de conduction. Le problème inverse consiste en l'intégration temporelle d'un simple modèle d'état dont les sollicitudes sont l'observation, complète ou non, de l'évolution thermique du matériau testé. On montre également que l'on peut aisément remonter aux fonctions enthalpie/température recherchées par une simple intégration temporelle des sources estimées. Des exemples numériques et une validation expérimentale ont montré la puissance de la méthode, que ce soit en termes de rapidité, de précision ou de robustesse au bruit de mesure. "