Projet ANR-12-VPTT-0005 – AARDECO : Aérornautique, Automobile Regroupement pour le DEveloppememnt des Caloducs Oscillants
Programme : Transports Durables et Mobilité (TDM)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur FABRICE VIDAL (PEUGEOT CITROËN AUTOMOBILES SA)
Partenaires : Divers privé; Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon; Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique; LIEBHERR-AEROSPACE TOULOUSE SAS; PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILE SA
Montant : 821149.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 48 mois
Résumé : Aéronautique Automobile Regroupement pour le DEveloppement des Caloducs OscillantsL’augmentation de la densité de puissance est un des enjeux cruciaux industriels et sociétaux.  Le transport se trouve  en profonde mutation énergétique sous l'effet de miniaturisation du véhicule et de ses composants ainsi que l’électrification progressive qui concourent à l’augmentation des flux énergétiques. Le caloduc oscillant est un appareil à la fois simple et efficace permettant de transférer la chaleur entre des points chauds et froids en optimisant ainsi le bilan énergétique.
L’étude et développement de caloduc oscillant pour répondre aux attentes du transport : miniaturisation et électrification.Face à un enjeu sociétal primordial (réduction des gaz à effet de serre, raréfaction des énergies fossiles), l'industrie des transports doit opérer une mutation profonde assurant une économie des ressources pour le respect des générations futures. Cette transformation passe par la réduction des pertes énergétiques. Si cet objectif est commun aux domaines aéronautique et automobile, le premier a opté depuis longtemps pour la voie vertueuse de l'allègement alors que le second montrait jusqu'à récemment une tendance contraire pour des raisons de sécurité et de confort des passagers. Cette tendance n'est plus possible dans le contexte actuel d'électrification du véhicule qui conduit  vers la miniaturisation des composants pour des contraintes d'encombrement et de réduction de la consommation. En ce sens, les caloducs oscillants (PHP) semblent particulièrement adaptés à cet objectif. En effet, l’augmentation des flux énergétiques dans les véhicules (miniaturisation + électrification) ne peut plus être maitrisée par les moyens de refroidissement traditionnels pour des raisons d'encombrement, efficacité, masse et cout. Parmi les nombreux types de caloducs (technologie attractive mais limitée à des densités de puissance autour de 100 W/cm2), les PHPs représentent une technologie prometteuse pour l’extraction des calories : forts transferts thermiques, système passif (pas de pompe) associé à une technologie très simple (faible cout et masse). Une compréhension des mécanismes physiques mis en jeu permettant la maîtrise du fonctionnement du PHP reste encore à franchir pour répondre à un besoin de robustesse industrielle.Pour atteindre ce but, le projet compte sur l’association de 3 laboratoires pionniers avec une longue expérience de collaboration sur le sujet et de 2 industriels issus de secteurs différents du transport. Du fait des attentes et des enjeux scientifiques associés, les livrables de ce projet auront une retombée internationale.
La modélisation des PHP : de la compréhension des phénomènes physiques jusqu'à la validation expérimentale en conditions proches de l'embarquéLe squelette central de ce projet est la modélisation des PHP. Elle est alimentée par 4 études expérimentales permettant la compréhension de briques élémentaires en configuration mono-bulle et doit fournir les éléments de dimensionnement nécessaires à l’élaboration de systèmes complets pour validation et compréhension des effets des conditions extérieures aux caloducs oscillants.Une mesure simultanée des pressions de vapeur et du déplacement du ménisque dans un écoulement diphasique oscillant dans la totalité d’un PHP entièrement transparent est menée au CETHIL. L’analyse simultanée de la pression et du déplacement du ménisque permet d’identifier les facteurs influant sur la perte de charge en conditions isothermes et avec évaporation.Le laboratoire Pprime dispose d’un montage similaire avec mesure par caméra infrarouge permettant, via l’utilisation d’une méthode inverse, de remonter aux données du film liquide (longueur, épaisseur, gradient). En parallèle une visualisation des lignes triples oscillantes dans une cellule rectangulaire transparente (cellule Hele-Shaw) par méthode optique avec mesure de la pression dans la vapeur est conduite au CEA. Le CEA réalise également une mesure de la température dans la vapeur dans un PHP en environnement cryogénique qui permet de rendre négligeable les échanges radiatifs et d'avoir la certitude des mesures difficile à obtenir à température ambiante.Ces travaux alimentent une étude numérique au CEA des instabilités générant les oscillations (sources d’arrêt et seuils de déclenchement) et le développement du code CASCO (code avancé de simulation de caloducs oscillants).  Une validation expérimentale de la conception d’un caloduc oscillant adapté aux contraintes de l’automobile et de l’aéronautique sera réalisée au laboratoire Pprime et donnera lieu à un champ d’investigation complémentaire relatif aux effets des conditions extérieures sur le fonctionnement des PHPs (chocs thermiques, effets vibratoires et gravitaires).
Résumé de la soumission : L’augmentation de la densité de puissance est un des enjeux cruciaux du point de vue industriel et sociétal dans tous les domaines technologiques. Cette tendance est présente depuis de nombreuses années dans le secteur aéronautique pour des raisons d'allègement. L'automobile n’échappant pas à cette règle, se trouve actuellement en profonde mutation du point de vue énergétique. En effet, les tendances de miniaturisation du véhicule et de ses composants ainsi que l’électrification progressive, concourent à l’augmentation des flux énergétiques. Une des clefs de succès de cette transformation sera la maitrise de ces flux tant au niveau technique que financier.En ce sens, le caloduc oscillant (Pulsating Heat Pipe, PHP), inventé au début des années 90 [2],  est une réponse prometteuse adaptée au transfert des grandes puissances (>200 W/cm2).En effet, le PHP dispose d’une part d’une structure extrêmement simple : un tube capillaire de section circulaire plié en boucles, renfermant un fluide diphasique (train de bouchons liquides séparés par des bulles de vapeur) dont une des extrémités de chaque boucle est en contact thermique avec un point chaud, et l’autre, avec un point froid.D’autre part le PHP est une solution beaucoup plus efficace (>2) que les autres types de caloducs : les bouchons se déplacent entre les zones chaudes et froides engendrant non seulement le changement de phase (évaporation / condensation) mais aussi un échange de chaleur par convection.Cependant, contrairement aux autres types de caloducs, son fonctionnement est non stationnaire, donc plus difficile à comprendre et à modéliser. Actuellement, il n’existe pas de moyens permettant de dimensionner un PHP.  En effet, de nombreux verrous scientifiques restent encore à lever : effets du film de mouillage sur la dynamique des bulles de vapeur (frottement visqueux) et des bouchons liquides (transfert de masse), sur le transfert thermique, état thermodynamique de la phase vapeur, …A cet effet, ce projet s’articulera autour des briques élémentaires de compréhension des mécanismes des PHPs en représentation simplifiée (mono-bulle) qui permettront d’alimenter un modèle numérique qui a son tour permettra de dimensionner des applications multi-bulles pour validation et apports d’éléments complémentaires comme la non stationnarité des conditions aux limites. Ces actions seront conduites par 3 laboratoires pionniers sur le sujet (CEA, CETHIL et P’) et 2 industriels issus de secteurs différents des transports (Liebherr AerospaceToulouse et PSA).
Résultats : Les premières observations d’oscillations auto entretenues au CETHIL laissent apparaitre une très forte courbure du ménisque lors de son éloignement de l’évaporateur qui laisse un film liquide fin le long des parois et un angle de contact très différent lors de son retour. L’évaporation de ce film mince est le paramètre principal qui contrôle l’amplitude et la fréquence des oscillations. On observe également une forte influence de la conductivité thermique sur les transferts et sur l’évolution de l’épaisseur de film.
Les mesures infrarouges associées à une méthode inverse de transferts de masse et thermiques en transitoire développés à Pprime permettent d’identifier la position du ménisque, la longueur du film liquide et parfois son épaisseur. 
2 méthodes de mesure de l’épaisseur du film liquide ont été mise en œuvre successivement au CEA. L’ombroscopie permet l’observation qualitative du film liquide en dynamique et l’interférométrie la mesure quantitative de son épaisseur avec des incertitudes sur la position du ménisque. Un couplage de ces 2 méthodes est en cours.
Le caloduc cryogénique et la mesure en micro thermocouple mise en place au CEA ont mis en évidence une température de la vapeur parfois plus haute que celle des parois. Un modèle d’évaporation/condensation de film prenant en compte cet état de surchauffe de la vapeur reproduit cette expérimentation.
L’analyse d’instabilité sur un PHP à branche unique avec des températures imposées a été effectuée au CEA et le seuil de démarrage des oscillations a été trouvé. L’origine des oscillations auto entretenue est maintenant connue. 
Un modèle de film liquide 2D basé sur l’approximation de lubrification a été proposé par le CEA. Une expression simple de l’évolution temporelle de l’épaisseur du film liquide est proposée comme fonction de la vitesse du ménisque et d’autres paramètres.
Perspectives : Une première partie du programme consiste en la réalisation d’expérimentations de PHP monobulle. Après une étude numérique sur les instabilités, une seconde étape concernera la configuration multibulles qui donnera lieu à une phase de validation expérimentale puis d’étude des conditions extérieures. 
A ce jour, nous pouvons déjà statuer sur l’état thermodynamique de la vapeur et sur les conditions de démarrage des PHP.
Du point de vue scientifique, ce projet de par les ambitions qu’il affiche et de la pluridisciplinarité qu’il requiert doit apporter des avancées scientifiques et méthodologiques. 
Du point de vue industriel, ce programme de travail de réaliser un outil prédictif du comportement des PHP et de trouver les configurations favorables et de chiffrer le potentiel réel du système.
Enfin du point de vue économique, les conclusions qui découleront de ce programme orienteront le choix des véhicules de demain, donnant un avantage concurrentiel aux partenaires de ce projet.
Publications et brevets : Le projet a donné lieu 14 communications en 18 mois. On notera 2 articles dans le International Journal of Heat and Mass Transfer, 6 communications à l'international dont une primée au 17th International Heat Pipe Congress.
- Nikolayev, V. S.  Oscillatory instability of the gas-liquid meniscus in a capillary under the imposed temperature difference, Int. J. Heat Mass Transfer, 2013 vol. 64, 313 - 321.
- Rao, M., Lefèvre, F., Khandekar, S., Bonjour, J., Understanding transport mechanism of a self-sustained thermally driven oscillating two-phase system in a capillary tube, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 65, Pages 451–459, 2013
- Donald M. Ernst award of the best paper on fundamental heat pipe research obtained at 17th International Heat Pipe Conference, Kanpur, India, October 13-17, 2013 :  Gully, P.*, Bonnet, F., Nikolayev, V., Luchier, N. & Tran, T. Q.  Evaluation of the vapor thermodynamic state in PHP