Experimental study of vapor bubble dynamics
Etude expérimentale de la dynamique d'une bulle de vapeur
Résumé
The object of this thesis is an experimental study of vapor bubble dynamics in sub-cooled nucleate boiling. The test section is locally heated by focusing a laser beam: heat fluxes from 1e4 to 1.5e6 W/m2 and water temperature between 100 and 88°C have been considered. Three boiling regimes have been observed. Under saturated conditions and with low heat fluxes a developed nucleate boiling regime has been observed. Under higher sub-cooling and still with low heat fluxes an equilibrium regime has been observed in which the liquid flowrate evaporating at the bubble base is compensated by the vapor condensing flowrate at bubble top. A third regime have been observed at high heat fluxes for all water conditions: it is characterized by the formation of a large dry spot on the heated surface that keeps the nucleation site dry after bubble detachment. The condensation phase starts after bubble detachment. Bubble equivalent radius at detachment varies between 1 and 2.5 mm. Bubble properties have been measured and non-dimensional groups have been used to characterize bubble dynamics. Capillary waves have been observed on the bubble surface thanks to high-speed images acquisition. Two main phenomena have been proposed to explain capillary waves effects on bubble condensation: increasing of the phases interface area and decreasing of vapor bubble translation velocity, because of the increased drag force on the deformed bubble.
Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale de la dynamique d'une bulle de vapeur créée en conditions d'ébullition nucléée dans un milieu sous-refroidi. La section d'essai est chauffée localement par focalisation d'un faisceau laser : les flux thermiques considérés varient entre 1e4 et 1.5e6 W/m2 et la température de l'eau varie entre 100 et 88°C.Trois régimes d'ébullition ont été observés. En conditions de saturation ou de faible sous-refroidissement et avec un faible flux thermique on observe un régime d'ébullition nucléée développée. Pour des sous-refroidissements supérieurs et des flux thermiques pas très élevés on observe un régime d'équilibre entre la masse de liquide évaporée à la base de la bulle et la quantité de vapeur condensée sur sa surface supérieure. Le troisième régime observé correspond à des flux thermiques élevés : sa caractéristique principale est la formation d'une poche de vapeur sur la surface chauffée qui reste attachée à la surface après la phase détachement de la bulle.La phase de condensation commence après le détachement de la bulle. Le rayon de détachement des bulles varie entre 1 et 2.5 mm. La mesure des propriétés des bulles a permis de les caractériser en termes de nombres adimensionnels. L'acquisition d'images à haute fréquence a permis d'observer la propagation d'ondes capillaires à la surface des bulles. Deux effets principaux de la propagation d'ondes capillaires sur la vitesse de condensation de la bulle ont été observés : l'augmentation de la surface d'échange entre les phases liquide et vapeur et la diminution de la vitesse de translation de la bulle, qui serait soumise à une trainée supérieure à cause de sa déformation.
Origine : Version validée par le jury (STAR)