Cartographie thermique au sein d'écoulements cavitants

Thermal investigation of cavitating flows through microchannels, with the help of fluorescent nanoprobes.

¹ Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels UMR 5519 Université de Grenoble - CNRS, BP 53, 38041 Grenoble Cedex 9, France.
e-mail: frederic.ayela@legi.grenoble-inp.fr
² Institut Lumière Matière UMR 5306 Université Lyon 1 - CNRS, 69622 Villeurbanne Cedex -
e-mail: gilles.ledoux@univ-lyon1.fr

Résumé

La maîtrise de la cavitation hydrodynamique au coeur de 'laboratoires sur puces' nous a conduit à développer une métrologie inédite basée sur la sensibilité en température de nanoparticules fluorescentes. Les petites dimensions du système étudié nous ont permis d'effectuer, à l'aide d'un microscope confocal, une cartographie thermique tridimensionnelle de la phase liquide. On a ainsi observé que la transition d'un régime d'écoulement monophasique vers un régime cavitant s'accompagne d'une augmentation de température au cœur de la zone tourbillonnaire. Ce gradient thermique peut s'élever jusqu'à 105 K/m. Un premier modèle explique cette augmentation par la forte densité de puissance dissipée consécutivement à la transition vers un régime cavitant. Par ailleurs, l'influence d'effets thermosensibles associés à la condensation de la vapeur en aval de l'écoulement doit également être considérée.

Abstract

Thermosensitive fluorescent nanoparticles seeded in de-ionized water have demonstrated the presence of strong thermal gradients in two-phase cavitating microflows. A thermal mapping has been made possible by the use of a confocal microscope, focusing and scanning over the three dimensions of a microchannel interrupted by a microdiaphragm. Working with DI water with flow rates of around 1 liter/ hour, cavitation is here the consequence of high shear rates downstream a diaphragm of hydraulic diameter of ≈ 77 µm. A thermal gradient ≈ 105 K/m has been detected only when the two-phase flow is present. It is located in vortical structures associated with eddies in the shear layers. Thermal profiles have been recorded at different heights of the channel, in the area where the flow exhibits the strongest thermal gradient. The increase of temperature is associated with an increase of the void fraction. That last parameter is reached by considering the spatial variations of the thermally - normalized intensity of the emitting nanoprobes. We believe that overheating is the consequence of the breakdown of large structures into small structures, and of the ultimate conversion of kinetic energy into heat. As the onset of cavitation goes with a drop of the flowrate, a model combining the corresponding hydrodynamic losses to the thermal effects has been established. It demonstrates that the intensity of the thermal gap is enhanced by the microsizes of the device. Meanwhile, the effect of heat transfer due to phase change need to be considered.