Mesure de pression et de température en microcanal Systèmes de mesures et interprétations M. FAVRE-MARINET, S. LE PERSON, R. BAVIERE, G.GAMRAT Thématique = hydrodynamique et transferts en simple phase dans des microcanaux de section rectangulaire Objectifs : Détermination expérimentale rigoureuse de Coefficient de frottement Coefficient d’échange thermique Transition à la turbulence Écoulements liquides dans des microcanaux lisses 1mm 100 µm 5 µm LEGI CRTBT Technologies d’usinage classiques Micro-Technologies: emploi de Silicium

Synthèse de différents résultats expérimentaux en microcanaux Sharp and Adrian (2004) coefficient de frottement Coefficient transfert thermique Sobhan and Garimella (2001) théorie laminaire Forte dispersion des résultats expérimentaux Pas d’explication physique pertinente Conclusion : Remise en cause des protocoles expérimentaux et métrologie inadaptée ?

Dispositifs Expérimentaux : Hydrodynamique  microcanaux de hauteur > 100µm ( microcanaux à cale ) Fluide de travail = eau déminéralisée

Dispositifs Expérimentaux : Hydrodynamique  Instrumentation Mesures de pression : Mesure globale de la chute de pression par 2 transmetteurs de pression ( pleine échelle : 16 bars, précision 1% PE ) Pour faibles chutes de pression : capteur inductif de pression différentielle ( pleine échelle 0,1 bar, précision 1% PE ) Mesures de débit : 3 débitmètres dans boucle d’essais plage de mesure de 1g/min à 6000g/min 2 débitmètres à turbine ( pleine échelle respective : 6000g/min et 200g/min, précision 0,5% PE ) 1 débitmètre thermique ( pleine échelle respective : 17g/min, précision 0,5% PE Mesures de température :  Thermocouples type K Ø 3mm (précision 0,1% pour 15°C<T<40°C)

Dispositifs Expérimentaux : Hydrodynamique  microcanaux de hauteur < 100µm ( microcanaux Silicium 4,5µm<e<23µm ) Réalisation par microfabrication avec métrologie associée Mesures de pression : Par déformation de membranes par des jauges de contrainte déposées en face arrière de la plaquette Réalisation : Plateforme NanoFab CRTBT - F. AYELA

Dispositifs Expérimentaux : Hydrodynamique  Principe de mesure de la pression : Relever les déformations d’une membrane soumise à une pression par des jauges de contraintes Silicium et Si3N4 Pyrex Jauges en Cupronickel Pont de Wheatstone Courbe d’étalonnage  Bonne linéarité de la réponse des capteurs en fonction de la pression pour différentes épaisseurs de membrane  Très forte influence de l’épaisseur de la membrane sur la sensibilité des sondes

Résultats Expérimentaux : Hydrodynamique Caractéristiques hydrodynamiques des écoulements d’eau dans microcanaux à cale Pamont - Paval en bars Débit en g.min-1 Re Vitesse débitante L = 82 mm et b = 25 mm 100 µm < h < 700 µm de 0,005 à 10 de 15 à 6000 de 10 à 104 U < 5 m.s-1 pour Re = 1000 Caractéristiques hydrodynamiques des écoulements d’eau dans microcanaux silicium Pamont - Paval Débit Re U en m.s-1 L = 6 mm et b = 1 mm 5 µm < h < 20 µm de 0,05 bar à 25 bar de 2 mg. min-1 à 104 mg. min-1 de 0,1 à 300 < 7,5 pour h = 20 µm < 1 pour h = 7 µm

Résultats Expérimentaux : Hydrodynamique Evaluation des incertitudes globales sur le nombre de Poiseuille pour les différents canaux testés (cas µcanaux Si)   incertitude est dominée par l’erreur commise sur  le paramètre h  le P Canal n° 1 h = 300 µm +/- 5,2 % Canal n° 3 h = 200 µm +/- 5,7 % Canal n° 5 h = 100 µm +/- 7,2 % Canal n° 7 h = 20,5 µm +/- 7,7 % Canal n° 9 h = 7,5 µm +/- 14 % Canal n° 11 h = 4,58 µm +/- 9.9 % dPo/Po

Résultats Expérimentaux : Hydrodynamique Nombre de Poiseuille expérimental : avec Longueur hydrodynamique Conclusion : absence de micro-effets dans nos expériences

Dispositifs Expérimentaux : Echanges Thermiques  Dispositif initial ( travail Gao P. ) Matériau : Bronze Fluide : eau déminéralisée 100µm  e  1mm

Dispositifs Expérimentaux : Echanges Thermiques  Dispositif évolué ( travail Bavière R. ) Matériau : Laiton 25mm Fluide : eau déminéralisée

Dispositifs Expérimentaux : Echanges Thermiques  Instrumentation Dispositifs Expérimentaux : Echanges Thermiques Mesures pression et débit : même principe que pour la section d’essais hydrodynamique Mesures de température :  Température de mélange entrée – sortie : Thermocouples type K Ø 3mm (précision 0,1% pour 15°C<T<40°C)  Température de paroi : sonde thermocouple submillimétrique ( type T ), diamètre 0,5mm, (précision 0,05% pour 20°C<T<60°C) Extrémité à 1mm de l’interface solide-liquide

Protocole Expérimental : Echanges Thermiques Flux convectif extrait des parois : Hypothèses : P échangée uniformément distribuée Conduction longitudinale faible

 Résultats expérimentaux Résultats Expérimentaux : Echanges Thermiques Baisse significative du Nu Avec la réduction d’échelle : Pas explication physique Fiabilité des mesures thermiques ? incertitudes de mesure, métrologie employée, biais de mesure Couplage conduction – convection ? densité de flux uniforme ? Causes envisagées :

Résultats Expérimentaux : Échanges Thermiques  Analyse des incertitudes expérimentales  Écart entre valeurs pariétales et valeurs de mélange = très faible φ moyen échangé Taval - Tamont Tparoi - Tmel (régime établi) 4 W.cm-2 3,5 °C à Re = 1000 2,8 °C pour h = 500 µm Incertitude en régime établi laminaire ( conv = 180W ): 21% pour h =100µm 16% pour h =200µm 13% pour h =400µm Incertitude augmente quand effets d’entrée deviennent sensibles ( x*<0.01)

 Modélisation numérique conjuguée de l’écoulement et des transferts de chaleur ( FLUENT 2D ) Résultats Expérimentaux : Échanges Thermiques Distribution de la densité de flux de chaleur extraite par l’écoulement e=1mm num  e = 0.3mm num e = 1mm exp  e = 0.3mm exp Faible influence du Re sur la distribution du flux en T2, T3 et T4 : vérification du protocole expérimental fuites thermiques minimisées : en T1  que 85% de la densité moyenne Couplage conduction-convection = faible Densité de flux uniformément répartie ( de T2 à T4 )

Résultats Expérimentaux : Échanges Thermiques  Biais de mesure Évolution de température au sein du dispositif  Tiso – Tfroid  Tchaud – Tiso  Conduction pure dans le laiton sur une distance de 1 mm Détermination de la température de paroi à partir des valeurs ( Ti) fournies par les thermocouples et de la densité de flux de chaleur moyenne :

Résultats Expérimentaux : Échanges Thermiques  Caractéristiques thermiques (puissance chauffage 180W) Conclusions :  Forte influence du biais de mesure affectant la température de paroi  Pas d’effet d’échelle sur les transferts thermiques par convection dans nos expériences

Expérimentation aux µéchelles = délicat Conclusions Expérimentation aux µéchelles = délicat prendre beaucoup de précautions Importance considérable de la métrologie utilisée et de la fiabilité des mesures sur les résultats Amplitude des déviations constatées dans la littérature au cours du temps ( 50%  10% ) Pour nos expériences = Pas d’effet d’échelle : • hydrodynamique 4.6µm  e  1mm • transferts thermiques convectifs 100µm  e  1mm Perspectives  en thermique ( parois lisses : e < 100µm ; parois rugueuses)  Effets d’échelle sur les écoulements diphasiques

Articles publiés : GAO P., LE PERSON S., FAVRE-MARINET M. (2002) Scale effects on hydrodynamics and heat transfer in two-dimensional mini and microchannels. International journal of thermal sciences. ISSN : 1290-0729. , vol. 41, pp. 1017-1027. BAVIERE R., LE PERSON S., AYELA F., FOURNIER T., FAVRE-MARINET M. (2003) Local and global measurements of friction coefficient in microchannels. La Houille blanche. ISSN : 0018-6368. , vol. 5, pp. 29-34. BAVIERE R., AYELA F., LE PERSON S., FAVRE-MARINET M. (2005) Experimental characterization of water flow through smooth rectangular microchannels. Physics of fluids., Brief communication, ISSN : 1070-6631. , 17, 9, 098105, pp 1-4. BAVIERE R., FAVRE-MARINET M., LE PERSON S., (2006), Bias Effects on Heat Transfer Measurements in Microchannels Flows, International Journal of Heat and Mass Transfer, volume 49, Issues 19-20, September 2006, pp 3325 - 3337. G.GAMRAT, M. FAVRE MARINET, D. ASENDRYCH, ( 2005 ), Conduction and Entrance ffects on Laminar Liquid Flow and Heat Transfer in rectangular microchannels, Int. J. Heat and Mass Transfer, vol. 48, 14, pp2943 - 2954

 Boucle d’essais pour les microcanaux à cale Annexe : Boucles d’essais  Boucle d’essais pour les microcanaux à cale

Annexe : Boucles d’essais  Boucle d’essais pour les microcanaux Silicium-Pyrex