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Nanofluides, l'efficacité à la hausse - Page 5/8

Rédigé par David D. - 14/11/2008
Catégorie : Watercooling



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Lutte contre la couche limite dynamique

Une grande partie de la résistance thermique de convection vient de ce que l'on appelle la « couche limite dynamique » ou « couche limite de vitesse » au niveau du contact liquide-paroi. Un nanofluide améliorera sensiblement le transfert thermique qui se produit à travers cette couche, conduisant ainsi à des températures plus basses pour l'élément refroidi.

Comment se manifeste cette couche limite ?

Lorsqu’un fluide s’écoule le long d’une paroi fixe dans un écoulement laminaire ou turbulent, les molécules à proximité de cette paroi sont ralenties à cause de la domination des forces de viscosité engendrant du frottement visqueux. Même si l'écoulement moyen est doté d'une grande vitesse, les molécules du fluide adjacentes à la surface ont tendance à y adhérer et ont donc une vitesse de déplacement qui tend fortement vers zéro. Les autres molécules du fluide, s’efforçant de glisser sur les premières, sont ralenties par des forces de frottement, mais plus on s'éloigne de la paroi, plus leur vitesse augmente, car l'effet de la viscosité prend moins d'importance par rapport à l'inertie (Reynolds plus élevé). On obtient donc un profil de vitesse qui dépend de la nature de l'écoulement et qui se développe de zéro jusqu'à la vitesse moyenne du fluide non perturbé loin de la paroi.

La couche limite dynamique est simplement le lieu où l'on observe une grande variation de la vitesse du fluide. Sa hauteur est définie comme étant la région qui va de la paroi (vitesse nulle) jusqu'à la hauteur où la vitesse moyenne du fluide atteint 99 % de la vitesse mesurée loin de la paroi. Comme le gradient de vitesse est très élevé dans cette région, deux couches de fluide très voisines auront des vitesses très différentes, ce qui donne du cisaillement et d'intenses frottements (pertes de charge).

De la même manière et toujours tout près de la paroi, on observe le développement d'une « couche limite thermique ». C'est la région où les variations de température du liquide sont importantes. Plus on s'approche de la paroi chaude, plus le fluide est logiquement chaud, l'allure de la couche limite dynamique ayant une influence sur l'évolution du profil de température. Elle s'établit de la température de la paroi jusqu'à la température du fluide loin de cette paroi, les deux ne sont pas du tout égales. La hauteur de cette couche limite thermique n'est pas non plus la même que celle de la couche limite dynamique (Figure 20).

Fig. 20 : Allures des profils de vitesse et de température au voisinage d'une paroi chaude

L'écoulement à l'intérieur de la couche limite dynamique peut se développer de façon laminaire ou turbulente. Avec un écoulement laminaire, tout est laminaire partout, pas de souci. Avec un écoulement turbulent, si la majorité de la couche limite dynamique est aussi de nature turbulente, il subsiste une très mince pellicule en écoulement purement laminaire à faible vitesse qu'on appelle la « sous-couche laminaire » ou « sous-couche visqueuse » (Figure 21). On est tellement proche de la surface, que le fluide glisse en quelque sorte sur lui-même en couches qui ne se mélangent pas, il n'y a aucun brassage du liquide.

Fig. 21 : Subdivision de la couche limite dynamique en plusieurs parties aux comportements différents

Comment un nanofluide peut-il réduire la nuisibilité de cette couche limite ?

Bien qu'elle soit très fine, la sous-couche laminaire est handicapante pour le transfert d'énergie paroi-fluide puisque la chaleur s'y meut uniquement par conduction pure, faute de courants de mélange. C'est loin d'être idéal puisque l'eau est un bien mauvais conducteur thermique avec ses 0,6 W/m·K, ce qui occasionne un grand gradient thermique dans la sous-couche (Cf. les illustrations de la Figure 2). Ça agit comme une sorte de pellicule isolante sur toutes les parois de l'échangeur soumises au déplacement du liquide. On peut faire le rapprochement avec un joint de pâte thermique sur le processeur, car cette couche a beau être très fine (30-100 µm), l'écart de température à sa traversée n'est pas négligeable (0,02 à 0,05 °C/W environ) et la pâte est pourtant thermiquement plus conductrice que l'eau (x10). Au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la paroi, les mouvements turbulents du fluide apparaissent grâce à la vitesse accrue et la convection favorise le transport d'énergie au loin.

Pour améliorer les performances, il faut donc réduire autant que possible l'épaisseur de la couche limite et l'empêcher de se développer à sa guise. Pour cela, on augmente la vitesse du fluide (passages étroits, jets d'eau...) ou on dispose des petits obstacles (picots, aspérités...) pour augmenter le brassage au niveau de la paroi notamment. Tout ça pour la contrarier autant que possible et repousser le fluide froid le plus près possible de la paroi chaude pour augmenter l'échange (diminution de l'épaisseur de la couche limite thermique).

La couche limite existe toujours quand il y a un écoulement. Quoi qu'on fasse, il faudra donc composer avec elle. Heureusement, grâce à sa plus grande conductivité thermique, un nanofluide améliore directement le transit conductif de l'énergie thermique au travers de la sous-couche visqueuse.

D'autres phénomènes plus mécaniques peuvent aussi apparaitre du fait de la nature colloïdale d'un nanofluide. En régime laminaire établi, les améliorations sur le coefficient d'échange sont parfois surprenantes avec des gains de plus de 250 % lors de l'emploi de nanotubes de carbone. On ne peut pas uniquement attribuer cette spectaculaire augmentation à la conductivité accrue de 30 à 40 % du nanofluide. Il est fortement envisagé qu'avec leur forme très allongée, les nanotubes se mettent naturellement à rouler, à se déformer et à tourner dans tous les sens au voisinage immédiat de la paroi sous l'action des forces de cisaillement (Figure 22). La présence de ces nanotubes modifie le comportement du liquide dans la couche limite et opère un brassage à l'échelle microscopique là où il n'existe pas en temps normal, ce qui améliore directement la qualité de l'échange. Le même phénomène peut bien sûr se produire également dans la couche limite d'un écoulement turbulent. Des particules de type sphérique ou en forme de disque n'entrainent pas de si fortes améliorations dans les études comparatives, car même en tournant, elles ne brassent pas grand-chose...

Fig. 22 : Zoom au voisinage de la paroi avec un microbrassage généré par les mouvements désordonnés des nanotubes

La suspension des nanoparticules peut modifier sensiblement le comportement rhéologique du liquide en adoptant un arrangement structurel particulier dans la couche limite. Selon leur nature et leur forme, on peut observer un comportement rhéofluidifiant (diminution de viscosité lors de l’augmentation de la vitesse de cisaillement) qui tend à réduire la viscosité apparente tout près de la paroi (effet lubrifiant). Cette réduction de viscosité induit alors une diminution de l'épaisseur de la couche limite dynamique et donc thermique par implication. Le résultat est encore une fois une augmentation directe du coefficient d'échange à la paroi.

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