Certains métaux (Mg, V, Pd,…) ou composés intermétalliques sont connus pour leurs capacités à absorber de façon réversible de grandes quantités d'hydrogène. Les composés ainsi formés sont appelés hydrures métalliques.
Les physiciens et les chimistes n'ont jamais cessé d'accorder un intérêt accru aux hydrures métalliques comme une classe assez intéressante de matériaux. Cet intérêt s'est manifestée bel et bien après la découverte de leur application comme modérateur dans les réacteurs nucléaires ou aussi après la découverte des propriétés de sorption étonnantes de l'hydrogène par les composés intermétalliques (à savoir chaleur de réaction, capacité de stockage, rapidité du cycle d'absorption - désorption, etc…). Grâce à ces propriétés thermodynamiques, les hydrures ont été utilisés pour développer un grand nombre d'applications industrielles propres et silencieuses telles que les piles à combustible, les unités de stockage de l'énergie thermique et électrique, le stockage de l'hydrogène, les pompes à chaleur, les moteurs thermiques, et les batteries électriques.
Si les promesses de ces différentes applications industrielles sont incontestables, elles reposent cependant sur deux paris : celui de la compétitivité et bien sûr celui de la sûreté, sûreté d’autant plus mise en avant que le gaz envisagé soit l’hydrogène et que ces applications concerneront la plupart des consommateurs que nous sommes, qu’il s’agisse de l’alimentation en électricité des véhicules, des maisons, des ordinateurs ou des téléphones portables ou la génération des hautes et des basses températures. En effet, si l’hydrogène est un combustible propre qui génère beaucoup moins de polluants chimiques qu’un moteur à explosion classique par exemple, c’est aussi un gaz potentiellement dangereux qui peut s’enflammer ou exploser en présence d’air si certaines conditions sont réunies.
Les réacteurs métal-hydrogène constituent des éléments importants de plusieurs types d'installations industrielles. Les qualités premières de ces réacteurs sont d'abord d'assurer des conditions d'application de la température et de la pression à la masse de poudre occluse, en y optimisant les transferts de chaleur de façon homogène et rapide. Comme la formation des hydrures est exothermique (décharge = endothermique), il est nécessaire de bien savoir piloter ces transferts pour la meilleure dynamique du système. Donc une forte activité de simulation numérique et de calculs est indispensable, d’une part, pour guider la définition des caractéristiques géométriques et le choix des matériaux d'emballage et d'échange, d’autre part, pour le pilotage optimisé du réacteur (apport de calories/frigories, cinétique d'extraction/insertion de H2 sous pression, contrôle de la pression, contrôle de l'endothermicité/exothermicité…). Par conséquent, plusieurs investigations expérimentales et numériques, décrivant ces mécanismes de transferts complexes, ont été effectuées.
A l’échelle nationale, on trouve essentiellement deux équipes (au Laboratoire d’Etudes des Systèmes Thermiques et Energétiques à l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir et au Laboratoire des matériaux et de procédés à l’Ecole Supérieure Scientifique et Technique de Tunis) qui travaillent sur les hydrures métalliques. La première s’intéresse aux transferts de chaleur et de masse dans les réacteurs métal - hydrogène, à la caractérisation des hydrures et leurs applications dans le domaine énergétique. La seconde s’occupe du phénomène physico chimique des hydrures.
A l’échelle internationale, compte tenu du grand intérêt accordé aux hydrures métalliques et leurs applications, plusieurs congrès internationaux qui ont un rapport avec les hydrures métalliques sont organisés. On peut citer : l’International Symposium on Metal Hydride Systems, Grove Fuel Cell Symposium, European Hydrogen Energy Conferences.

A l’issue d’une étude bibliographique, il s’est avéré que les travaux existants sont approchés et sont basés sur les hypothèses simplificatrices suivantes :

• les transferts sont monodimensionnels.
• les températures du solide (métal) et du gaz (hydrogène) sont égales (ETL).
• la pression du gaz est constante.
• l’écoulement est régi par la loi de Darcy.
• l’écoulement et les transferts dans la zone d’expansion du réacteur sont négligeables.
• les transferts radiatifs sont négligeables.
• les réacteurs simulés sont de formes géométriques simples.

Ces hypothèses conduisent à des modèles et des codes numériques très restrictifs. D’où la nécessité d’une étude rigoureuse qui permettra, d’une part, de mieux comprendre les phénomènes et de qualifier les incidences de ces hypothèses et d’autre part, d’établir des modèles assez généraux et des outils numériques souples et efficaces. Jusqu’à l’heure actuelle (fin 2003), les travaux effectués au sein du LESTE ont permis l’élaboration d’un modèle qui tient compte des effets bidimensionnels, de la résistance à l’écoulement, de la différence entre la température du solide et du fluide, des transferts radiatifs et de l’écoulement et des transferts dans la zone d’expansion du réacteur. Un outil informatique est mis en place pour la simulation du fonctionnement du réacteur en utilisant ce modèle. Ainsi, ces investigations ont permis d’étendre l’étude numérique à des configurations plus réalistes des réacteurs métal-hydrogène.
Le modèle théorique fait intervenir des paramètres dont les plus influents (suite à une étude de sensibilité que nous avons effectuée) sont : la pression d’équilibre, la cinétique d'extraction/insertion de H2 sous pression et la conductivité thermique.
Alors un banc de mesure (réacteur métal-hydrogène, réservoir d’hydrogène, instruments de mesure…) a été réalisé afin de déterminer ces propriétés.
Les mesures expérimentales nous ont permis de proposer des modèles analytiques pour la pression d’équilibre et de la cinétique de la réaction d’hydruration/déshydruration

Objectifs du programme de recherche:

On se propose dans ce programme de développer des logiciels de simulation numérique assez généraux pour les systèmes métal-hydrogène et de mettre en place des outils expérimentaux permettant la validation des logiciels et la caractérisation d’une large variété de métaux et de composés intermétalliques. Ces outils numériques et expérimentaux vont nous permettre :

• de mieux comprendre les phénomènes complexes de transferts couplés de chaleur et de masse dans les réacteurs métal-hydrogène.
• d’évaluer le degré de sûreté des systèmes de stockage de l’hydrogène et de l’énergie sous forme d’hydrure.
• de faire le bon choix des matériaux lors de la réalisation d’une application à base d’hydrure (coût, poids, cinétique, capacité de stockage, ..).

Dans ce programme de recherche, on se propose aussi de faire la conception d’une pompe à chaleur à hydrure et des systèmes de stockage de l’énergie solaire et de l’hydrogène.

Résultats attendus du programme de recherche:

• Mises en place d’outils d’études théoriques et expérimentales des moteurs Stirling.
• Réalisation de prototypes de moteur Stirling.

Méthodologie et approche envisagées pour la réalisation du programme de recherche:

La méthodologie envisagée pour la réalisation du programme de recherche proposé est la suivante :

Pour la partie théorique:

• Discrétisation du système d’équations en utilisant la MVCEF avec un maillage non structuré.
• Résolution du système algébrique régissant le fonctionnement du réacteur en configuration axisymétrique.
• Validation du code de calcul.
• Extension du code de calcul en maillage non structuré aux réacteurs fonctionnant à haute température par l’intégration des transferts radiatifs.
• Extension du logiciel aux configurations tridimensionnelles.
• Simulation numérique du fonctionnement des réacteurs métal-hydrogène.
• Simulation numérique du fonctionnement des pompes à chaleur et des accumulateurs d’énergie à hydrure

Pour la partie pratique:

Afin d’améliorer et d’informatiser le banc de mesure existant, nous adopterons la démarche suivante :

• Conception et réalisation de prototypes instrumentés de réacteurs et de réservoirs d’hydrogène.
• Utilisation de ces bancs de mesure pour la validation des modèles, pour étudier expérimentalement les transferts de chaleur et de masse et déterminer la cinétique, la pression d’équilibre et éventuellement d’autres caractéristiques.

Opportunités de valorisation des résultats de recherche:

Les outils mis en place et les connaissances acquises peuvent être utilisés pour concevoir et réaliser des accumulateurs d’hydrogène et d’énergie et des pompes à chaleur à hydrure.

Le séchage est une opération fréquemment rencontrée dans plusieurs secteurs industriels (matériaux de construction, agro-alimentaire, textile, produits pharmaceutiques, ….). C’est une opération qui consomme beaucoup d’énergie et qui peut engendrer lorsqu’elle est mal conduite une altération de la qualité du produit séché (déformation, fissuration, oxydation, …). Depuis plusieurs années, beaucoup de chercheurs s’intéressent aux phénomènes de transferts de chaleur et de masse qui ont lieu au cours du séchage et ceci dans le but de réduire le coût sans affecter la qualité du produit fini.
Malgré l’abondance des publications sur le séchage, il ressort de l’étude bibliographique que :

• les études sur le séchage en présence d’un soluté dans le liquide sont rares et incomplètes.
• il y a très peu d’études sur le séchage qui tiennent compte d’une façon rigoureuse du couplage entre les transferts dans le milieu fluide et dans les milieux poreux. En général les transferts dans le milieu fluide sont approchés par des coefficients d’échange constants au cours du séchage.
• le séchage des matériaux présentant une double porosité (milieux granulaires, milieux fibreux, textiles, papiers, ….) n’a pas fait l’objet de suffisamment d’études.

Au laboratoire, nous avons développé des modèles qui régissent les transferts dans les milieux poreux et dans le fluide sécheur. Des codes de calcul ont été mis en place. Ces codes nous ont permis de mener les études suivantes:

1. Une première étude dans laquelle nous avons analysé d’une manière détaillée le phénomène de l’évaporation de l’eau dans un écoulement bidimensionnel d’air sec, d’air humide et de vapeur surchauffée. L’étude a été réalisée principalement sur le domaine de validité de l'analogie entre le transfert de chaleur et de masse et sur la température d'inversion. Cette contribution a conduit aux principales conclusions suivantes :
   • A haute température et en présence de rayonnement, la vitesse interfaciale affecte les différents profils.
   • La température d'inversion augmente avec la vitesse et la pression ambiante et diminue avec le chauffage.
   • Le transfert de chaleur par rayonnement fait diminuer la température d’inversion.
   • L’analogie entre le transfert de chaleur et le transfert de masse est valable uniquement pour les faibles concentrations et les faibles températures ambiantes; en présence du transfert de chaleur par rayonnement, l’analogie n’est pas valable.
2. Une deuxième étude au cours de laquelle nous avons analysé, à l’échelle macroscopique, les transferts bi-dimensionnels de chaleur et de masse au cours du séchage convectif d’une plaque poreuse non saturée, composée d’une matrice solide inerte et indéformable, d’une phase liquide (eau pure) et d’une phase gazeuse (air + vapeur d’eau). Les transferts dans les milieux fluides sont représentés par des coefficients d’échanges obtenus à partir de l’étude précédente.
   Les simulations tiennent compte de la pression gazeuse et montrent l’effet des conditions externes et initiales sur les variables d’état (température du milieu, pression gazeuse et saturation en eau). Elles montrent aussi l’effet des variations des coefficients locaux des transferts de chaleur et de masse, obtenus sous plusieurs conditions, sur l’opération de séchage.
3. Une troisième étude, à l’échelle macroscopique aussi, ou nous nous sommes intéressé au séchage des milieux granulaires par convection naturelle, forcée et mixte. Les grains sont des milieux poreux et le milieu granulaire est un milieu à double porosité. Nous avons supposé que les grains sont indéformables et qu’il n’y a pas de phase liquide dans les macro pores. Les effets des paramètres internes et externes sur les transferts de chaleur et de masse par convection naturelle et forcée sont présentés et analysés. L’étude dans le cas de la convection naturelle tient compte du transfert radiatif.
   Lors de l’étude des transferts de chaleur et de masse au cours du séchage, nous nous sommes principalement heurtés au problème des forts gradients de teneur en liquide pendant l’apparition du front de séchage. Ce problème est plus marqué pour les hautes températures et concentrations ambiantes et allonge considérablement le temps de calcul et ne permet pas actuellement d'envisager de traiter d'une façon rigoureuse le couplage des transferts à l'intérieur du milieu poreux et dans le fluide extérieur et de faire des simulations pour des configuration de géométries complexes.

Objectifs du programme de recherche:

• Amélioration des codes numériques mis en place en les rendant plus rapides, plus robustes et utilisables facilement pour des géométries plus complexes. Les codes à notre disposition actuellement sont basés sur les méthodes des volumes finis en maillage structuré et de ce fait sont difficilement applicable pour des géométries complexes.
• Amélioration des modèles en tenant compte des différents modes de transferts (conductif, convectif et radiatif) et en tenant compte d'une façon plus rigoureuse du couplage entre les transferts dans le milieu poreux et dans le fluide environnant.
• Amélioration des outils expérimentaux (boucle de séchage, bancs de caractérisation, ….).
• Etude des transferts d’eau et de soluté au cours du séchage d’un milieu poreux.
• Etude du séchage des milieux à double porosité (milieux granulaires, milieux fibreux, …).

Résultats attendus du programme de recherche:

• Mise en place d’outils d’étude théorique performants et peu restrictifs pour l’étude des transferts de chaleur et de masse au cours du séchage.
• Amélioration des outils expérimentaux (boucle de séchage, bancs de caractérisation, ….).
• Compréhension et maîtrise des phénomènes de transferts de chaleur et de masse au cours du séchage des milieux poreux à double porosité.
• Compréhension et maîtrise des phénomènes de cristallisation et de transferts de chaleur et de masse au cours du séchage lorsque la phase liquide contient un soluté.

Méthodologie et approche envisagées pour la réalisation du programme de recherche:

Nous effectuerons des comparaisons des performances des solveurs (ORTHOMIN, GMRES, BIGRADIENT, …) et des stratégies de résolution numérique (couplées, non couplées). Ceci nous permettra de choisir les solveurs et les stratégies les plus adaptés aux problèmes considérés. D’autre part nous comptons, afin d’avoir des codes de calcul qui peuvent s’adapter facilement à des géométries complexes, effectuer la discrétisation par les méthodes de volume de contrôle à base d’éléments finis utilisant un maillage non structuré.
Afin de généraliser d’avantage les modèles nous introduirons l’effet du rayonnement et nous traiterons d’une façon plus rigoureuse le couplage entre les transferts dans le milieu poreux et ceux dans le milieu fluide environnant. Il s’agit de résoudre simultanément les équations de transport dans les deux milieux. La boucle de séchage sera améliorée en éliminant les vibrations et en régulant avec plus de précision la température et l’humidité. Ainsi, cette boucle permettra de réaliser des essais de séchage qui serviront à déterminer la cinétique de séchage et à affiner et valider les modèles théoriques.
Le séchage lorsque l’eau est chargée en sels sera étudié essentiellement à l’échelle porale. Cette étude s’appuiera sur des expériences sur des capillaires et sur des réseaux gravés (micro-modèle), des simulations numériques sur réseau de pores et en ce qui concerne certains aspects théoriques sur la théorie de la percolation (percolation d’invasion, percolation d’invasion sous gradient).
Pour un capillaire de différentes géométries, on tentera de répondre aux deux questions suivantes : quel est l’impact du sel sur les flux d’évaporation ? Dans quelle région du capillaire ou du réseau la cristallisation va-t-elle apparaître?
Des réponses à ces questions seront obtenues en combinant études d’ordre de grandeurs, solutions numériques et / ou analytiques et visualisations expérimentales. Concernant le séchage des matériaux présentant une double porosité, nous généraliserons nos outils théoriques en tenant compte de la présence d’une phase liquide dans les macro pores.

Opportunités de valorisation des résultats de recherche:

Les outils mis en place peuvent servir pour :

• l’optimisation et la maîtrise des dépenses énergétiques des séchoirs industriels.
• l’amélioration des conditions de stockage dans les silos de grains par la limitation des zones de condensation afin d’éviter les possibilités de germination, de moisissure et d’apparition d’insectes.
• la réalisation de nouveaux séchoirs plus performants.
• la réalisation de dessiccateurs.

La formation d’une phase gazeuse, au sein d’un milieu poreux, par détente d’une solution liquide sursaturée en gaz ou par ébullition, constitue une transition du premier ordre, dans laquelle deux événements jouent un rôle décisif : l’apparition des bulles de gaz par nucléation, puis le développement de ces bulles dont le volume croit par expansion et diffusion pour ramener le système vers un nouvel état d’équilibre. De point de vue pratique, ce phénomène joue un rôle important dans de nombreux processus industriels (séchage, caloduc, pompe à bulles, pétrole, …). En génie pétrolier où parfois, lors de la mise en production de certains gisements de pétrole, on se contente, dans une première étape, d’ouvrir les puits et de laisser les gisements se décomprimer. Dans ces conditions, le gaz initialement dissous dans l’huile est désorbé et la phase gazeuse, ainsi crée, déplace l’huile vers les puits de production. Cette pratique consistant à exploiter l’énergie potentielle du gisement est appelée drainage naturel ou récupération primaire. L’étude des transferts de chaleur et de masse lors de la formation de la phase gazeuse a fait l’objet de nombreux travaux théorique et expérimentaux. Deux approches sont utilisées. L’approche macroscopique ou les phénomènes sont décrits en moyennes sur un volume élémentaire représentatif, contenant plusieurs dizaines de pores. En général, pour les milieux poreux réel, les distributions géométriques des phases sont inconnues et par conséquent uniquement cette approche est applicable. L’approche microscopique ou les phénomènes sont décrits à l’échelle du pore permet une analyse fine des phénomènes mais n’est applicable que dans le cas de milieux poreux pour lesquels les distributions géométriques des phases sont connues ( réseaux gravés, géométrie périodique, ….). Lors de l’ébullition ou de la formation des gaz, le milieu poreux sera éventuellement formé de zones saturées (gaz ou liquide) et de zones non saturées (gaz+liquide) séparées par des interfaces mobiles. De ce fait, une difficulté apparaît, lors de la résolution numérique des équations macroscopiques, au niveau de l’adaptation du maillage et sa modification au cours du temps. Certaines méthodes de résolution fixent l’interface en effectuant une transformation des coordonnées spatiales et temporelles. D'autres méthodes considèrent que le milieu poreux contient partout une phase liquide et une phase gazeuse. Le milieu poreux est alors partout non saturé. Les transferts sont régis par trois équations relatives à la température, à la pression de la phase gazeuse et à la saturation. La formulation enthalpique du problème est aussi utilisée. Le milieu poreux est considéré comme étant une seule phase et les mêmes équations de transferts régissent le problème dans tout le milieu poreux. Au Laboratoire, nous avons étudié, à l’échelle macroscopique, l’ébullition en milieux poreux en utilisant la formulation enthalpique (ou méthode de mélange). La méthode des volumes finis a été utilisée pour la discrétisation du système d’équations. Le modèle de cavité soumise à un flux de chaleur par le bas et refroidie par le haut, a été choisi pour valider les résultats obtenus (stabilité, convection,...) à l’aide du code de calcul développé. Des résultats concernant l’étude de l’ébullition dans une couche poreuse chauffée sont obtenus. Il ressort de l’étude bibliographique que : les outils théoriques existant pour étudier, à l’échelle macroscopique, l’ébullition ou la formation des gaz en milieux poreux sont restrictifs (effets tridimensionnels négligeables; inertie négligeable, ..) et difficilement utilisables pour des configurations géométriques complexes. l’ébullition ou la formation des gaz en milieux poreux, lorsque les fluides sont en mouvement n’ont pas été traité à l’échelle microscopique, les simulations, à l’échelle microscopique existantes, ne tiennent pas compte des effets tridimensionnels.

Objectifs du programme de recherche:

• Déscription et comprehension des phénomènes liés à l'ébullition et à la formation des gaz en milieu poreux.
• Mise en place de codes de résolution numérique des équations macroscopiques rapides, robustes, qui tiennent compte de la plupart des effets (effets tridimensionnels, effet de l’inertie, effet de l’hygrospicité, …..) et facilement utilisables pour des configurations géométriques complexes.
• Mise en place d’outils expérimentaux d’étude, à l’échelle microscopique, de la formation des bulles dans un milieu poreux artificiel transparent (réseau gravé).
• Mise en place d’un simulateur, à l’échelle microscopique, de la croissance de la phase gazeuse dans un réseau de capillaires.

Résultats attendus du programme de recherche :

• Maîtrise des transferts de chaleur et de masse lors de la formation des gaz dans les milieux poreux.
• Mise en place d’outils théoriques et expérimentaux permettant de quantifier les transferts de chaleur et de masse lors de la formation des gaz dans les milieux poreux.

Méthodologie et approche envisagées pour la réalisation du programme de recherche:

Dans une première approche, nous analyserons les phénomènes à partir d’une description macroscopique. Dans ce cadre, nous établirons une modélisation qui tient compte de la plupart des effets. Les équations établies seront ensuite résolues numériquement par les méthodes de volume de contrôle à base d’éléments finis utilisant un maillage non structuré. Nous comparerons, les différents solveurs et les différentes stratégies de résolution et nous essayerons de déterminer les avantages et les inconvénients des formulations enthalpiques et en température – pression - saturation. Par la suite, une étude de certains problèmes d’ébullition ou de formation des gaz (pompes à bulles, refroidissement par ébullition, ..) sera effectuée. Dans une deuxième approche, on étudiera les phénomènes à l’échelle des pores. Cette étude s’appuiera sur des expériences sur des réseaux gravés (micro-modèle), et des simulations numériques sur réseau de pores et en ce qui concerne certains aspects théoriques sur la théorie de la percolation (percolation d’invasion, percolation d’invasion sous gradient).

Opportunités de valorisation des résultats de recherche:

• Maîtrise et réduction du coût énergétique de certains processus de séchage.
• Conception et réalisation des pompes à bulles en utilisant des milieux poreux.
• Conception et réalisation de caloducs et de systèmes de refroidissement des composants électroniques.
• Planification avec plus de précision et d’efficacité de l’exploitation des gisements de pétrole.

La fusion et la solidification sont des phénomènes fréquemment rencontrés aussi bien dans la nature que dans l’industrie (métallurgie, stockage de l’énergie, production et stockage de la glace, conservation des aliments, gel, …).
L’étude des transferts de chaleur et de masse au cours de la fusion ou de la solidification est un préalable indispensable pour réduire le coût énergétique et améliorer pour certaines applications la qualité du produit fini.
En effet, la solidification mal conduite peut engendrer la formation de vide, des hétérogénéités, des déformations et des fissurations. Ainsi beaucoup de travaux sont publiés dont la majorité est dédiée aux matériaux purs, pour des configurations simples et en négligeant les effets tridimensionnels. Les travaux concernant la fusion et la solidification des matériaux multi composants sont plus rares et souvent incomplets.
Au niveau du laboratoire, nous avons modélisé et simulé numériquement les transferts bidimensionnels de chaleur et de masse lors de la fusion et la solidification des matériaux purs et multi composants.
Les équations sont discrétisées en utilisant les méthodes de volumes de contrôle à base d’éléments finis à maillage structuré. Des résultats concernant les effets de l’inclinaison, du facteur de forme et des nombres de Grashof sont présentés et analysés.

Objectifs du programme de recherche:

• Décrire et comprendre les phénomènes liés au changement de phase solide/liquide.
• Mise en place d’un code de résolution numérique rapide, assez général, qui tient compte des effets tridimensionnels et qui est facilement utilisables pour des configurations géométriques complexes.

Méthodologie et approche envisagées pour la réalisation du programme de recherche:

Pour les problèmes de fusion et de solidification les solutions analytiques n’existent que pour des cas simples et limités (géométrie unidirectionnelle semi-infinie) sans grand intérêt pratique. Pour des configurations réelles de géométrie plus complexe, les approches numériques constituent le seul moyen pour résoudre ces problèmes. La principale difficulté associée aux problèmes de fusion et de solidification réside dans la détermination de l’interface.
Trois techniques sont couramment utilisées dans la résolution des problèmes de changement de phase. Les méthodes de suivi de l’interface, les méthodes qui fixent l’interface et les méthodes enthalpiques. Les méthodes enthalpiques s’appuient sur l’utilisation d’un maillage fixe. L’équation de conservation de l’énergie est écrite dans tout le domaine d’étude sans tenir compte d’une façon directe de la condition de saut à l’interface. Les équations de conservation de la quantité de mouvement contiennent un terme source qui annule les champs de vitesses dans le solide et qui permet de retrouver les équations de l’écoulement dans la phase fluide et dans la zone de changement d’état considérée comme étant un milieu poreux. Le code de calcul numérique mis en place est basé sur la formulation enthalpique et les méthodes des volumes de contrôle à base d’éléments finis.
Nous envisageons améliorer ce code en le rendant plus rapide (par l’utilisation de solveurs plus performants) et applicable à des géométries complexes (en utilisant un maillage non structuré), puis nous envisageons l’étendre pour tenir compte des effets tridimensionnels. Ce code sera utilisé pour étudier certains cas pratiques.

Opportunités de valorisation des résultats de recherche:

Les outils mis en place et les résultats obtenus seront utilisés pour:

• Maîtriser et réduire le coût énergétique de certains processus industriels faisant intervenir les changements de phase solide/liquide.
• Concevoir et réaliser des accumulateurs d’énergie par chaleur latente.

Le mouillage et l’imprégnation des milieux poreux jouent un rôle important dans un grand nombre de systèmes et de processus énergétiques et thermiques (caloduc, séchage, récupération du pétrole, ébullition et formation de phase gazeuse…). Ainsi un grand nombre de travaux relatifs à ces sujets sont publiés. Ces travaux concernent:

• L’effet des traitements de surface (mécanique et chimique) sur le mouillage.
• L’écoulement dans les capillaires de différentes sections et dans les réseaux de capillaires.
• L’imprégnation des milieux poreux.

Au niveau du laboratoire nous nous sommes intéressés au mouillage des fibres traitées par greffage chimique. Des mesures d’angle de contact et d’énergie de surface en fonction de la rugosité et du taux de greffage ont été effectuées.

Objectifs du programme de recherche:

• Modélisation et simulation numérique de l’écoulement dans les capillaires et dans les réseaux de capillaires.
• Modélisation et simulation numérique de l’imprégnation des milieux poreux.
• Réalisation de dispositifs expérimentaux d’étude du mouillage et de l’imprégnation.

Méthodologie et approche envisagées pour la réalisation du programme de recherche:

En vue d’approfondir nos connaissances, nous effectuerons une étude bibliographique sur la théorie du mouillage et sur les techniques expérimentales utilisées. Nous formulerons ensuite, les équations qui régissent le mouillage et l’écoulement dans les capillaires. Nous effectuerons aussi des mesures d’angle de contact et d’énergie de surface des matériaux. Nous disposons actuellement à l’Ecole de dispositifs expérimentaux de mesure de ces grandeurs (balance Kahn et Digidrope). En parallèle, nous étudierons expérimentalement l’imprégnation des milieux poreux en fonction de la nature et de la structure du solide (par exemple dans le cas du textile l’armure et la nature de la fibre). Les mesures de l’angle de contact et de l’énergie de surface serviront pour interpréter les résultats obtenus lors des expériences d’imprégnation. Enfin nous tenterons de vérifier la validité des modélisations utilisées pour l’imprégnation et éventuellement proposer une nouvelle modélisation. Actuellement la plupart des modélisations utilisées sont basées sur l’équation de Washburn qui consiste à supposer que l’écoulement dans un milieu poreux est régi par une équation de la même forme que celle qui régit l’écoulement dans un capillaire.

Opportunités de valorisation des résultats de recherche:

Les résultats obtenus peuvent être valorisés en améliorant certains processus de séchage, d’ennoblissement en textile et en élaborant des matériaux hydrophobes ou hydrophiles.

Le contrôle thermique et le refroidissement des différents engins, machines et appareils constituent un enjeu très important dans le cadre de l'optimisation de leurs fonctionnements, puisque leurs performances, coût et fiabilité, en dépendent directement. Les caloducs représentent une solution adaptée à ce genre de problème. En effet, ils permettent d'évacuer de fortes densités de flux de chaleur sans avoir recours à aucun apport mécanique d'origine extérieure. A ce propos, ils ont été utilisés dans plusieurs domaines d'applications. Une des plus prometteuses est l'utilisation des micros caloducs pour le refroidissement des composants électroniques, faisant l'objet de plusieurs récentes études de recherche. En effet, ils sont fiables, peu encombrants et agissent au sein même de la source de chaleur.
Les challenges actuels consistent à leur intégration au sein même des systèmes à refroidir afin de limiter au maximum les résistances thermiques de contact. Le mécanisme moteur du fonctionnement d'un caloduc est le changement de phase liquide - vapeur puisque le transfert de chaleur s'effectue par transformation de la chaleur sensible en chaleur latente, ce qui explique la conductibilité thermique remarquable des systèmes à caloducs.
Plusieurs paramètres, tels que la température de fonctionnement, le flux de chaleur imposé, la géométrie, la nature de la structure capillaire, le type et la charge du fluide caloporteur, ont une grande importance dans l'optimisation du fonctionnement des caloducs.
Bien qu'il ait des propriétés thermiques qui lui permettent d'atteindre des niveaux de performance exceptionnels, le caloduc est soumis à des limitations qui altèrent à son bon fonctionnement. Elles sont essentiellement engendrées par l'écoulement de vapeur ou par l'écoulement de liquide à l'intérieur de l'enceinte. Plusieurs équipes de recherche dans le monde s’intéressent aux études théorique et expérimentale des caloducs.
La majorité des travaux théoriques publiés portent soit sur la détermination des limites de fonctionnement, soit sur l’établissement des conductances thermiques à l’évaporateur et au condenseur et se basent sur des hypothèses simplificatrices plus ou moins importantes. Quant aux études expérimentales, elles sont peu nombreuses et présentent la difficulté de mesure des paramètres de fonctionnement.