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Theses Year : 2022

Modeling of pulsating heat pipes

Modélisation de caloduc oscillant

Abstract

Pulsating Heat Pipe (PHP) is a promising alternative to conventional heat pipes to satisfy the increasing demand of the electronics cooling industry. It is an innovative heat transfer device with outstanding performance. However, due to the complex physical phenomena involved, a comprehensive theory for PHP modeling remains under development. Conceptually, PHPs contain a capillary fluid channel partially charged with a pure two-phase fluid. Because of capillarity, liquid plugs and vapor bubbles naturally form inside. Phase change over liquid films created by receding liquid plugs is the principal mechanism for energy transfer. Developing a numerical model requires a good understanding of the liquid film behavior. Therefore, the thesis first addresses liquid film dynamics on the level of a single fluid channel, which includes film deposition by oscillating plugs and the receding of triple contact lines at evaporation. Our theoretical study agrees with experimental observations and can be applied to many applications that involve phase change phenomena on liquid films. As an example, the analysis was employed to elucidate the formation and evolution of microlayer liquid under vapor bubbles in nucleate boiling. A one-dimensional numerical model of liquid films, called the Oscillating Film Thickness (OFT) model, is developed. On the one hand, the new model is computationally efficient; on the other hand, because it is based on the understanding of liquid film dynamics, the new model reflects the physical behavior of liquid films in PHP’s fluid channel. The simulations of single-branch PHPs using the OFT model have shown good agreement with experimental data. An extension for multi-branch PHPs is proposed. OFT model provides a reliable simulation tool for designing future PHP prototypes.
Le caloduc oscillant (Pulsating Heat Pipe-PHP, en anglais) est une alternative prometteuse aux caloducs conventionnels pour répondre aux demandes croissantes de l'industrie du refroidissement de l’électronique. Il s'agit d'un dispositif de transfert de chaleur innovant aux performances exceptionnelles. Cependant, en raison de la complexité des phénomènes physiques impliqués, une théorie complète pour la modélisation du PHP reste en cours de développement. Les PHPs contiennent un canal de fluide capillaire partiellement chargé d'un fluide pure diphasique. En raison de la capillarité, des bouchons de liquide et des bulles de vapeur se forment naturellement à l'intérieur. Le changement de phase sur les films liquides créés par le retrait des bouchons de liquide est le principal mécanisme de transfert d'énergie. Le développement d'un modèle numérique nécessite une bonne compréhension du comportement de films liquides. Par conséquent, la thèse aborde la dynamique des films liquides au niveau d'un seul canal de fluide, ce qui inclut le dépôt de films par des bouchons oscillants et le retrait des lignes de contact triples lors de l'évaporation. Notre étude théorique est en accord avec d'observations expérimentales et peut être utilisée pour de nombreuses applications qui impliquent des phénomènes de changement de phase sur de films liquides. A titre d'exemple, l'analyse a été employée pour élucider la formation et l'évolution de la microcouche liquide lors de l'ébullition nucléée. Un modèle numérique unidimensionnel de films liquides, appelé modèle OFT (Oscillating Film Thickness en anglais), est développé. D'une part, le nouveau modèle est efficace du point de vue de calcul numérique; d'autre part, parce qu'il se base sur la compréhension de la dynamique des films liquides, le nouveau modèle reflète le comportement physique des films liquides dans les canaux de PHP. Les simulations de PHP à une branche unique par le modèle OFT ont montré un bon accord avec les données expérimentales. Une extension pour des PHP multi-branches est proposée. Le modèle OFT fournit un outil de simulation fiable pour la conception des PHP futures.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03953103 , version 1 (23-01-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03953103 , version 1

Cite

Xiaolong Zhang. Modeling of pulsating heat pipes. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPASP149⟩. ⟨tel-03953103⟩
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