Détermination expérimentale des coefficients d’échange thermique autour d’un dispositif équipé de sources de chaleur locales

La caractérisation des phénomènes de convection revêt un enjeu majeur pour les problèmes de refroidissement. L’évacuation de la chaleur par convection est notamment prépondérante dans le cadre du refroidissement des composants électroniques. Les corrélations de convections de la bibliographie sont basées sur des configurations traditionnelles non représentatives du phénomène local. Une étude numérique menée au laboratoire [1] a mis en évidence la faisabilité d’une mesure locale du coefficient de convection. Dans la littérature, différentes études portant sur les coefficients de convection locaux utilisent des méthodes holographiques de mesure de champs de vitesse dans le fluide [2]–[5], mais peu d’études ont porté sur l’identification du coefficient de convection par inversion de mesure de températures sur le solide [6]–[10].

Le sujet de thèse s’inscrit dans cette perspective de développement d’une méthode novatrice de mesure des coefficients de convection afin de pouvoir implémenter des modèles numériques de dimensionnement.

L’objectif de ce projet porte sur la détermination du coefficient d’échange convectif local en utilisant des outils analytiques et numériques développés au sein du laboratoire et des souffleries équipées (laser/camera thermique/PIV).

Figure 1 : Soufflerie équipée en PIV et permettant d’effectuer les mesures IR

Figure 2 : Mesures IR du point chaud

Bibliographie

[1]        J.-G. Bauzin, M.-B. Cherikh, and N. Laraqi, ‘Identification of thermal boundary conditions and the thermal expansion coefficient of a solid from deformation measurements’, International Journal of Thermal Sciences, vol. 164, p. 106868, Jun. 2021, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2021.106868.

[2]        H. Chehouani, A. Ait Haj Said, and M. El Fagrich, ‘Heat transfer study of free convection through a horizontal open ended axisymmetric cavity using holographic interferometry’, Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 60, pp. 308–316, Jan. 2015, doi: 10.1016/j.expthermflusci.2014.10.007.

[3]        S. Bahl and J. A. Liburdy, ‘Measurement of local convective heat transfer coefficients using three-dimensional interferometry’, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 34, no. 4–5, pp. 949–960, Apr. 1991, doi: 10.1016/0017-9310(91)90006-Z.

[4]        R. Fehle, J. Klas, and F. Mayinger, ‘Investigation of local heat transfer in compact heat exchangers by holographic interferometry’, Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 10, no. 2, pp. 181–191, Feb. 1995, doi: 10.1016/0894-1777(94)00088-P.

[5]        D. Naylor, ‘Recent developments in the measurement of convective heat transfer rates by laser interferometry’, International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 24, no. 3, pp. 345–355, Jun. 2003, doi: 10.1016/S0142-727X(03)00021-3.

[6]        P. S. Jakkareddy and C. Balaji, ‘A non-intrusive technique to determine the spatially varying heat transfer coefficients in a flat plate with flush mounted heat sources’, International Journal of Thermal Sciences, vol. 131, pp. 144–159, Sep. 2018, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2018.03.009.

[7]        B. A. Anderson and R. P. Singh, ‘Effective heat transfer coefficient measurement during air impingement thawing using an inverse method’, International Journal of Refrigeration, vol. 29, no. 2, pp. 281–293, Mar. 2006, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2005.05.016.

[8]        S. Chantasiriwan, ‘Inverse heat conduction problem of determining time-dependent heat transfer coefficient’, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 42, no. 23, pp. 4275–4285, Dec. 1999, doi: 10.1016/S0017-9310(99)00094-0.

[9]        J. Zhou, Y. Zhang, J. K. Chen, and Z. C. Feng, ‘Inverse estimation of front surface temperature of a plate with laser heating and convection–radiation cooling’, International Journal of Thermal Sciences, vol. 52, pp. 22–30, Feb. 2012, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2011.09.009.

[10]      M. K. Chyu, H. Ding, J. P. Downs, and F. O. Soechting, ‘Determination of local heat transfer coefficient based on bulk mean temperature using a transient liquid crystals technique’, Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 18, no. 2, pp. 142–149, Oct. 1998, doi: 10.1016/S0894-1777(98)10016-X.

Le Laboratoire Thermique Interfaces Environnement (LTIE, EA4415) sis à Ville d’Avray (92) développe des recherches à caractère fondamental, et aussi appliqué, dans les domaines des Transferts Thermiques et de l’Energie. Il a noué et fidélisé au fil des années de nombreux partenariats avec des industries de pointe telles que Messier-Bugatti, Thales, Safran … en mettant à profit son savoir-faire et son expertise pour lever des verrous technologiques notamment dans les secteurs du spatial, de l’aéronautique et de l’électronique. Le LTIE est doté d’une plateforme expérimentale lui permettant ainsi d’effectuer des travaux de caractérisation thermique des matériaux, des mesures fines de température - avec et sans contact - de divers dispositifs industriels (freins d’avions dont des disques tournants, puces et cartes électroniques …) ainsi que des mesures aérauliques et thermomécaniques. Ces activités expérimentales sont complétées par des travaux de modélisation numérique directe et inverse poussée et aussi par des développements analytiques avancés.

Outre ces activités, le LTIE mène des actions fortes en direction de la pédagogie et de la formation de jeunes chercheurs (docteurs et stagiaires). Il participe aussi à la vie de la société savante de thermique (SFT) dont le CS, le CA et les groupes METTI, Thermocinétique et Interfaces. Les membres du LTIE sont souvent sollicités pour les expertises de travaux de recherche, dont des articles pour des revues internationales, des thèses de doctorat, des habilitations à diriger des recherches, des projets nationaux et régionaux …

Le candidat devra maitriser les outils de simulation numérique mais aussi avoir un sens pratique développé afin de pouvoir intervenir non seulement sur la partie calcul numérique mais aussi sur l’aspect expérimental du stage.