CONTRIBUTIONS TO THE STUDY OF THE LIQUID-VAPOUR PHASE CHANGE IN POROUS MEDIA. POROUS NETWORKS NUMERICAL SIMULATIONS

CONTRIBUTIONS A L'ETUDE DU CHANGEMENT DE PHASE LIQUIDE-VAPEUR EN MILIEUX POREUX. SIMULATIONS NUMERIQUES SUR RESEAUX DE PORES

Yves Le Bray (1)

1 IMFT - Institut de mécanique des fluides de Toulouse

We present a study of liquid-vapor phase change phenomena in capillary-porous materials, based on pores and throats numerical networks. Two cases are investigated. In the first one phase change, driven by mass transfer in the gas phase, takes place below the saturation conditions. Actually, this case corresponds to the classic problem of drying of a capillary-porous material initially fully saturated. The second situation corresponds to the case of a phase change occuring at the saturation temperature. This case is motivated by a specific application : the study of coupled heat and mass transfers within the wick of a capillary evaporator. The tridimensionnal numerical network build for the study of drying is used for analysing the phase distribution evolution within the material during drying. The analysis is conducted within the framework of the invasion percolation theory. The case when gravitational effects are not negligible is also numerically studied, and analyzed by means of the gradient percolation theory. Viscous effects of the liquid phase are theoretically analysed using the gradient percolation theory. Comparisons with experimental results are conducted. For studying the case of a phase change at saturation conditions, a two-dimensionnal numerical network was built. This simulator permits the analysis of coupled heat and mass transfers considering phase change. The study is mainly devoted to the analysis of the effects of the microstructure heterogeneities on the structure of the phase change front. This part of the study leads to the proposal of an improved design of the wick of the evaporator, as a two-layers system, each layer having different transport properties.

Nous présentons une étude des phénomènes de changement de phase liquide-vapeur en milieu capillaro-poreux à partir de simulations numériques sur réseaux de pores et de liaisons. Deux situations sont investiguées. Dans la première, le changement de phase, piloté par le transfert de masse en phase gazeuse, s'effectue sous les conditions de saturation. Le cas étudié correspond en fait au problème classique du séchage d'un milieu capillaro-poreux initialement complètement saturé. La seconde situation correspond à un cas où le changement de phase s'effectue à la température de saturation. Ce deuxième cas est motivé par une application particulière, l'étude des transferts couplés de chaleur et de masse au sein de la mèche d'un évaporateur capillaire. Le simulateur-réseau tridimensionnel mis au point pour l'étude du séchage permet d'apporter un éclairage nouveau sur ce problème, principalement à partir de l'analyse de l'évolution de la structuration des phases à l'intérieur du matériau en cours de séchage. Cette analyse est effectuée dans le cadre de la théorie de la percolation d'invasion. Le cas où les effets de la gravité ne sont plus négligeables est également étudié numériquement et analysé à l'aide de la théorie de la percolation en gradient. L'effet de la viscosité de la phase liquide est analysé théoriquement à partir de la percolation en gradient. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont effectuées. Pour l'étude du cas où le changement de phase s'effectue aux conditions de température de saturation, un simulateur réseau bidimensionnel a été mis au point. Ce simulateur permet l'analyse des transferts couplés de chaleur et de masse avec changement de phase. L'étude est principalement consacrée à l'analyse de l'effet de l'hétérogénéité de la microstructure sur le développement de la phase vapeur et sur la structure du front de changement de phase en régime stationnaire. Cette partie conduit à la proposition d'un design amélioré de la mèche de l'évaporateur en termes de système à deux couches ayant des propriétés de transfert différentes.

Mots clés: POROUS MEDIUM; NETWORK APPROACH; PHASE CHANGE; MASS TRANSFER; HEAT TRANSFER; CAPILLARY PUMP.

Mots clés: MILIEU POREUX; PERCOLATION; APPROCHE RESEAU; CHANGEMENT DE PHASE; EVAPORATION; TRANSFERT DE MASSE; TRANSFERT DE CHALEUR; POMPE CAPILLAIRE

Domaines: Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]; Analyse de données, Statistiques et Probabilités [physics.data-an]; Hydrologie; Physique [physics]

Yves Le Bray. CONTRIBUTIONS A L'ETUDE DU CHANGEMENT DE PHASE LIQUIDE-VAPEUR EN MILIEUX POREUX. SIMULATIONS NUMERIQUES SUR RESEAUX DE PORES. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 1997. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00518234⟩