Thèse Etude Expérimentale de l'Influence de la Nature du Fluide et de la Géométrie de Surface sur les Performances Thermiques d'Un Échangeur Diphasique H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : ONERA-DMPE Département Multi-Physique pour l'Energétique Direction de la thèse : Guillaume PILLA ORCID 0000000252105256 Début de la thèse : 2027-01-04 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Les systèmes de propulsion aérospatiaux modernes interviennent dans plusieurs secteurs industriels fortement innovants. L'amélioration de la performance d'un moteur aérospatial passe par une diminution du rapport poids-puissance. Un des organes clés du moteur est la chambre de combustion, dont les parois doivent supporter une forte charge thermique. Pour permettre une compacité suffisante de la chambre tout en garantissant la tenue thermomécanique des parois, un système de refroidissement pariétal est nécessaire. Le système de refroidissement pariétal de certains systèmes de propulsion modernes est composé de circuits régénératifs. Ces derniers permettent un refroidissement actif de la paroi de la chambre de combustion via un transfert de la chaleur induite par le dégagement d'énergie dans la chambre de combustion vers un fluide caloporteur. Ils sont composés de canaux de refroidissement dans la paroi dans lesquels circule le fluide caloporteur. Suivant les conditions de fonctionnement du moteur, le caloporteur peut être partiellement ou totalement évaporé à la sortie de l'échangeur. En effet, l'ébullition est un phénomène fortement endothermique particulièrement adapté au refroidissement d'une paroi soumise à un fort flux thermique. Ce processus est multi-échelles, complexe, et dépendant de nombreux paramètres. Cela rend difficile la prévision précise du taux de transfert de chaleur, et donc le dimensionnement de l'échangeur.
Depuis plusieurs années, l'ONERA travaille sur cette thématique en développant une méthodologie de caractérisation de la thermique paroi couplée à la caractérisation du régime d'écoulement sur un banc expérimental dédié. Celui-ci consiste en un canal chauffé de section rectangulaire à faible rapport hauteur/largeur. Les travaux menés jusqu'à présent ont permis de valider la méthodologie expérimentale de caractérisation thermique / écoulement avec un écoulement d'eau, de mettre en évidence plusieurs régime d'écoulement représentatifs de ceux décrits dans la littérature et de réaliser des mesures de coefficient d'échange afin d'établir des corrélations de type Nusselt. Ces mesures expérimentales se basent sur de l'imagerie haute cadence permettant d'identifier les régimes d'écoulement, ainsi que sur une implémentation innovante de la thermométrie de luminophores (PT) permettant de mesurer la température de paroi au travers de l'écoulement diphasique. Cette première étape du travail a été réalisée en utilisant de l'eau comme fluide caloporteur. L'objet du projet doctoral proposé ici est d'étendre ces caractérisations à des situations plus représentatives, permettant de reproduire une partie des phénomènes physiques rencontrés dans un système industriel. On s'intéressera en particulier à la géométrie de l'échangeur et son état de surface, ou encore la nature du fluide (tension de surface et aspect multi-composant).
Le refroidissement pariétal utilisé dans certains systèmes de propulsion modernes est composé de circuits régénératifs. Ces derniers permettent un refroidissement actif de la paroi de la chambre de combustion via un transfert de la chaleur induite par le dégagement d'énergie dans la chambre de combustion vers un fluide caloporteur. En sortie de l'échangeur, ce fluide peut se trouver sous forme liquide, diphasique ou vapeur suivant les conditions de fonctionnement du moteur. En effet, les transferts thermiques associés peuvent induire un changement de phase du fluide caloporteur et modifier les échanges thermiques avec la paroi chaude. Si des études fondamentales existent pour décrire ce type d'échangeur, Elles sont assez peu représentatives des conditions réelles de mise en oeuvre qui mettent en jeu des fluides multi-composants, un possible formation de dépôt à la surface ou encore des géométries de surface complexes. - Proposer une méthodologie expérimentale de prise en compte des aspects multi composants, géométrie, et état de surface
- Etudier les échanges de chaleur entre la paroi et un fluide caloporteur dans le cadre du développement des circuits régénératifs à changement de phase pour les chambres de combustion