Evaporation at microscopic scale and at high heat flux
Evaporation à l'échelle microscopique et à haut flux thermique
Résumé
This thesis theoretically investigates the transport processes in the vicinity of the triple gas-liquid-solid contact line and its impact on macroscopic evaporation. In the first part of the thesis, the hydrodynamics close to the contact line at partial wetting is studied. Specifically, evaporation into the atmosphere of pure vapor driven by heating of the substrate is considered. The question of singularity relaxation is addressed. The main finding of the thesis is that the Kelvin effect (dependence of saturation temperature on pressure) is sufficient by itself to relax the hydrodynamic contact line singularity. The proposed microregion (the contact line vicinity) model for small interface slopes is solved numerically. Asymptotic solutions are found for some specific cases. The governing length scales of the problem are identified and the multiscale nature of the phenomenon is addressed. Parametric studies revealing the role of the thermal resistance of vapor-liquid interface, slip length, thermocapillary term, the vapor recoil and surface forces are also performed. An extension of the lubrication approximation for high slopes of the gas-liquid interface at evaporation is discussed. In the second part of the thesis, the previously established microregion model is coupled to a simplified single vapor bubble growth numerical simulation. The bubble departure from the heater at boiling is also studied. It was proposed in the thesis, that under high heat loads, the increase of the apparent contact angle causes the vapor bubble to spread over the heated substrate. Such a behavior may cause the heater dry-out that occurs during the boiling crisis.
Cette thèse étudie théoriquement les processus de transport au voisinage de la ligne triple de contact liquide-gaz-solide et leur impact sur l'évaporation macroscopique. Dans la première partie de la thèse, l'hydrodynamique au voisinage de la ligne de contact est étudiée sous les conditions de mouillage partiel. L'évaporation induite par le chauffage du substrat dans l'atmosphère de vapeur du même fluide est considérée. La relaxation de la singularité hydrodynamique de la ligne triple est considérée. La principale conclusion de la thèse est que l'effet Kelvin (dépendance de la température de saturation de la pression) est suffisant en soi, pour faire disparaitre la singularité des variables hydrodynamiques. La microrégion (le voisinage de la ligne de contact) est résolue numériquement et analytiquement pour de faibles pentes de l'interface liquide-vapeur. Les échelles de longueur caractéristiques du problème sont identifiées et la nature multi-échelle du phénomène est prise en compte. Les études paramétriques effectuées révèlent le rôle de la résistance thermique de l'interface vapeur-liquide, de la longueur de glissement, du terme thermocapillaire, du recul de vapeur et ainsi que des forces de surface. Une extension de l'approximation de lubrification pour de pentes élevées de l'interface gaz-liquide à l'évaporation est discutée. Dans la seconde partie de la thèse, le modèle précédemment établi pour la microrégion est couplé à des simulations numériques de la croissance d'une bulle de vapeur. Le départ de la bulle de vapeur de la paroi chauffante pendant l'ébullition a également été étudiée. Il a été proposé dans la thèse, que sous des charges thermiques élevées, l'augmentation de l'angle de contact apparent provoque l'étalement de la bulle de vapeur sur la paroi chauffante. Ce phénomène peut conduire, au séchage de la paroi observé pendant la crise d'ébullition.
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