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Modeling of thermofluid phenomena in segmented network simulations of loop heat pipes

Authors
Publisher
McGill University
Publication Date
Keywords
  • Engineering - Mechanical
Disciplines
  • Mathematics

Abstract

L'objectif principal de cette thèse consiste à formuler, mettre en œuvre, tester et démontrer des modèles mathématiques et des méthodes numériques pour réaliser la simulation d'écoulements de fluide et de transfert de chaleur dans des boucles fluides diphasiques [Loop Heat Pipes (LHPs) en anglais], opérant en régime permanent. Un modèle de réseau segmenté thermofluide pour simuler le fonctionnement en régime permanent des LHPs conventionnelles avec des évaporateurs cylindriques et plats est proposé. Dans ce modèle, la ligne de transport de la vapeur, le tuyau du condenseur et la ligne de transport du liquide sont divisés en segments longitudinaux (ou volumes de contrôle). Des formulations quasi-unidimensionnelles, intégrant des corrélations semi-empiriques pour les phénomènes multiphasiques sont utilisées pour assurer la conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie sur chacun des segments individuels, puis sur l'ensemble du LHP. Les variations des propriétés thermophysiques du fluide en fonction de la température sont prises en compte, ainsi que le changement dans le titre en vapeur, la chute de pression, et le transfert de chaleur dans les régions diphasiques, améliorant ainsi les capacités du modèle proposé par rapport aux modèles précédents de réseaux de LHPs. Le modèle proposé est utilisé pour simuler un LHP pour lequel des mesures expérimentales sont disponibles dans la littérature: les prédictions du modèle proposé sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux. Dans les modèles quasi-unidimensionnels précédents de LHPs, la chute de pression pour un débit de vapeur à travers les gorges de l'évaporateur est calculée en utilisant une corrélation faisant intervenir un facteur de friction s'appliquant uniquement dans la région pleinement développé de conduits avec des murs imperméables. Cette approche est inacceptable quand cette baisse de pression devient significative devant la chute de pression globale du LHP. Une corrélation plus précise pour prédire cette chute de pression est alors nécessaire. Pour répondre à ce besoin, une méthode de volumes éléments finis (CVFEM) est proposée pour prédire l'écoulement en trois dimensions du fluide et le transfert de chaleur dans différents conduits à section uniforme régulière et irrégulière. La méthodologie du CVFEM est également adaptée pour formuler une méthode plus simple en volumes finis (FVM). Cette approche est utilisée pour étudier l'écoulement laminaire de fluides newtoniens et le transfert de chaleur dans des cannelures de vapeur à section rectangulaire, pour des conditions typiques de fonctionnement d'un LHP. Les résultats sont utilisés pour élaborer les caractéristiques d'une région pleinement développé (particulière aux LHPs) et de proposer de nouvelles corrélations pour le calcul de la chute de pression globale et des températures de vapeur. Ces corrélations sont incorporées dans le modèle quasi-unidimensionnel pour obtenir un modèle amélioré de réseau segmenté thermofluide pour les LHPs. Les métaux poreux, fabriqués à partir de poudre de métaux sintérisées, ayant une faible porosité (0.30 - 0.50) et un diamètre de pores de petite taille (2.0 à 70 micromètres), sont les matériaux idéals pour la mèche des LHPs. Les paramètres d'entrées des modèles mathématiques de LHPs incluent la porosité, la taille effective maximale des pores, la perméabilité effective et la conductivité thermique effective de la mèche saturée d'un liquide. La détermination de ces propriétés par des expériences simples est réalisée en utilisant un échantillon poreux fritté de poudre de métal en acier inoxydable 316. Enfin, les capacités du modèle améliorée du réseau segmenté thermofluide discuté ci-dessus sont démontrées en l'utilisant pour simuler un LHP opérant en régime permanent avec quatre fluides différents: l'ammoniac, l'eau distillée, l'éthanol et l'isopropanol. Les résultats sont présentés et discutés comparativement.

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