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Modélisation et Simulation des phénomènes d'ébullition et du transfert de chaleur dans la zone d'impact d'un jet sur une plaque chaude

Seiler-Marie, Nathalie (2004) Modélisation et Simulation des phénomènes d'ébullition et du transfert de chaleur dans la zone d'impact d'un jet sur une plaque chaude. (Modelling and Computation of boiling phenomena and heat exchange in the impinging region of a jet on a hot plate.)

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Abstract

Afin de contrôler les propriétés d'un produit issu de l'industrie sidérurgique, la connaissance de la température de la plaque lors de son refroidissement est essentielle. Ainsi, dans le but de déterminer la température des plaques de métal lorsqu'elles sortent du laminoir, Robidou a réalisé des expériences de jets sous-saturés impactant une plaque chaude. Ces expériences ont permis l'établissement de courbes d'ébullition et la caractérisation du phénomène de plateau de flux en ébullition de transition dans la zone d'impact du jet. L'objectif de la première partie de cette étude est l'établissement d'un modèle pour le phénomène de plateau de flux. Ce modèle est basé sur l'existence supposée d'un phénomène transitoire d'oscillations périodiques des bulles en paroi. En effet, des instabilités de Rayleigh-Taylor se développent à l'interface liquide/vapeur conduisant à la fragmentation des bulles lorsque leur diamètre dépasse un diamètre critique. La relation donnant le flux de plateau qui est dérivée de cette modélisation est validée par les résultats expérimentaux issus de la littérature pour une large gamme de vitesse du jet, de sous-saturations et de diamètre du jet. Dans la seconde partie de cette étude, l'approche physique conduisant au phénomène du plateau de flux est prise en compte lors de l'établissement d'un modèle de transfert de chaleur en paroi permettant de décrire tous les régimes d'ébullition. Ce modèle est ensuite implanté dans le logiciel polyphasique ‘Neptune 3D local'. Les résultats des simulations sont finalement comparés aux flux obtenus expérimentalement par Robidou en régime stationnaire et par Ishigai et al. en transitoire, au cours de trempes. ABSTRACT : To control the mechanical properties of a steel product, knowledge of the metal temperature is essential. In order to determine the steel temperature when the plates leave the rolling mill, some experiments have been carried out by Robidou on the heat transfer associated with the impingement of a planar subcooled water jet on a heated plate. These experiments provided complete boiling curves. A phenomenon of shoulder of flux, in the transition boiling region near the impingement point, is observed. The aim of the first part of the present work is to establish a modelling of the phenomenon of heat flux shoulder. This modelling is based on the assumption that the existence of periodic bubble oscillations at the wall surface are due to the hydrodynamic fragmentation by the jet resulting in Rayleigh-Taylor instabilities. The relation derived from this modelling is validated against experimental results from the literature obtained for a wide range of jet velocity, subcooling and jet diameter. In a second part, the physical approach of the shoulder of flux phenomenon is taking into account in the establishment of a complete model of heat transfers for the whole boiling curve. This modelling is implemented in the multiphase flow solver developed by EDF, Neptune 3D local. Numerical results are finally compared to experimental heat fluxes obtained in stationary regime by Robidou and in transient quenching by Ishigai et al.

Department:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Simonin, Olivier
Uncontrolled Keywords:Jet impactant - Transfert de chaleur - Régimes d'ébullition - Plateau de flux - Logiciel Neptune 3D local. KEYWORDS : Impinging jet - Heat transfer - Boiling regimes - Shoulder of flux - Solver Neptune 3D local.
Subjects:Hydraulics > Fluid mechanics
Deposited On:12 February 2008

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