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Les supraconducteurs de type câble en conduit constituant les bobines de tokamak sont refroidis avec un écoulement d'hélium forcé à température cryogénique (4.5 K), afin de fournir une évacuation de la chaleur efficace et une stabilité de l'état supraconducteur. La région mouillée dans un tel conducteur est un agencement torsadé à plusieurs étages de brins insérés dans une gaine. Les paramètres d'écoulement et les mécanismes de transfert de chaleur dans cette géométrie compliquée sont étudiés afin d'évaluer les propriétés thermo-hydrauliques effectives à l'échelle macroscopique ("approche milieu poreux avec changement d'échelle"). Par conséquent, des expériences en régime permanent et transitoire ont été réalisées pour mesurer respectivement le coefficient de pertes de charge et le coefficient d'échange convectif volumique du milieu. La boucle expérimentale utilise de l'azote gazeux comme fluide de travail dans des conditions équivalentes à un écoulement forcé d'hélium supercritique. Les paramètres conservés sont la conductivité thermique, les nombres de Reynolds et de Prandtl. Le diamètre hydraulique utilisé comme longueur caractéristique est déduit de la géométrie réelle obtenue par tomographie aux rayons X. Le modèle d'écoulement de Darcy-Forchheimer a été appliqué précédemment sur un large ensemble de mesures stationnaires effectuées sur des câbles en conduit de bobine de champ toroïdal du tokamak JT-60SA afin de caractériser leurs pertes de charge au travers de leurs perméabilités et de leurs coefficients inertiels. Des mesures transitoires d'écoulement forcé soumis à une impulsion thermique ont ensuite été réalisées sur des échantillons similaires et sont présentées ici. Nous en déduisons les propriétés d'écoulement ainsi que le coefficient d'échange de chaleur entre le fluide, les brins et la gaine. Un modèle simplifié à trois températures (brins/azote/gaine) résolu par transformée de Fourier et un modèle numérique plus détaillé ont été développés et utilisés pour analyser la réponse du système en sortie à un échelon de température du fluide en entrée. Les deux modèles transitoires 1-D considèrent un milieu continu équivalent et fictif composé de trois phases (brins/azote/gaine). Les propriétés effectives des brins torsadés sont liées à la porosité. Le fluide est couplé par convection avec les brins et la gaine. Une procédure inverse basée sur la méthode des moindres carrés permet ensuite d'évaluer le coefficient d'échange convectif volumique de ce milieu. Nous analysons les effets de compressibilité du fluide induits par les pertes de charge, l'impact de la détente Joule-Thomson ainsi que les effets de la conduction thermique longitudinale dans les solides sur la caractérisation des échanges thermiques. Nous avons testé cinq échantillons couvrant la gamme de propriétés dans les bobines de confinement du plasma.

Dans cet article, nous présentons une étude expérimentale réalisée dans le cadre d'un projet de recherche interne ONERA et traitant de l'analyse d'un écoulement liquide dans un canal de section rectangulaire contenant une forêt de picots, soumis à un fort flux de chaleur permettant la vaporisation d'une partie du liquide. L'objectif du projet est la meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu dans ce type de configuration et de la création d'une base de données expérimentale pour valider les simulations numériques associées. Une maquette de canal chauffé avec picots a été réalisée. Le canal de section est alimenté en amont par un débit d'eau contrôlé, à température ambiante. La paroi basse du canal est chauffée à l'aide de 31 cartouches chauffantes alimentées par deux boitiers électriques permettant de régler la puissance fournie entre 0 et 100 \% de la puissance maximale. La paroi supérieure est percée par un hublot permettant la visualisation de l'écoulement interne. De nombreux thermocouples sont insérés dans les parois inférieure et supérieure du canal afin de mesurer les conditions de température de l'expérience. L'ensemble de la maquette a été inséré dans un support isolant afin de minimiser les pertes thermiques vers l'environnement. A la sortie du canal, l'installation permet la mesure du débit de liquide non vaporisé. Enfin un capteur de pression différentielle enregistre les pertes de charge entre l'entrée et la sortie du canal. La campagne d'essais a été réalisée en faisant varier les débit d'eau et la puissance d'alimentation des cartouches. Pour chaque condition de débit, 6 ou 7 paliers de puissance ont été réalisés jusqu'à atteindre un état stationnaire. Dans chaque condition d'essais, toutes les mesures sont acquises et des visualisations de l'écoulement sont enregistrées par caméra vidéo classique ou rapide, avec injection d'acide aminoG pour augmenter le contraste entre les zones liquides et gazeuses. Une grandeur intéressante pour comparer aux simulations numériques est le coefficient d'échange pariétal à l'interface fluide-solide, en présence du phénomène de vaporisation. En effet la littérature montre une très forte augmentation du transfert de chaleur pariétal dans ces conditions. Pour identifier ce coefficient d'échange, il est nécessaire de connaître le flux de chaleur échangé entre la paroi inférieure et le fluide. Dans ce but, une méthode inverse de conduction de la chaleur a été utilisée pour identifier ce flux de chaleur, à partir des températures mesurées au sein de la paroi. Une hypothèse d'uniformité latérale des températures a conduit au développement d'un modèle thermique 2D plan, avec prise en compte de la puissance générée par les 31 cartouches électriques. Le coefficient d'échange pariétal efficace est identifié à partir du flux de chaleur et de la température locale du fluide. L'évolution de cette dernière le long du canal est calculée par un bilan d'enthalpie depuis l'entrée, en intégrant les flux de chaleur identifiés par la méthode inverse. La présence des picots est prise en compte a posteriori dans le post-traitement en considérant un modèle d'ailette soumise à un coefficient d'échange uniforme, ce qui permet de remonter au coefficient d'échange pariétal.

National audience; Les fours tournants sont couramment utilisés dans l'industrie chimique, la métallurgie, la pharmacie, dans le domaine nucléaire et en cimenterie. Pour la conception ou la modélisation des fours tournants, on considère quatre phénomènes importants : la réaction chimique, l'hydrodynamique, les transferts de matière et les transferts thermiques.Des études réalisées sur les fours de conversion de l'uranium ont permis de mettre en évidence l'importance des processus thermiques. Il a notamment été observé que de faibles variations du coefficient d'échange thermique solide/paroi génèrent des effets sensibles sur les profils de température calculés par le modèle mis au point. Or les corrélations disponibles dans la littérature fournissent des valeurs très disparates de ce coefficient d'échange. Par conséquent, notre étude porte sur les méthodes expérimentales et les modèles permettant la détermination précise du coefficient d'échange thermique solide/paroi.L'ensemble des essais s'articule autour des paramètres variables de l'installation pilote : le débit d'alimentation en solide et le taux de remplissage (les diaphragmes en sortie de four autorisant différents taux de remplissage pour un même débit), la vitesse de rotation et l'inclinaison du tube, la température de chauffe du four principal, mais aussi la nature et la granulométrie de la poudre étudiée. De surcroît, notre installation peut être munie de releveurs ; aucune étude quantitative n'ayant été publiée à propos de leur effet sur les coefficients d'échange thermique.Enfin, des expériences sont effectuées dans le cas du refroidissement : là encore aucune étude n'est rapportée dans la littérature. Ce cas de figure correspond pourtant à une réalité industrielle, certes moins courante que le chauffage. En plus des paramètres énumérés pour la première campagne, cette partie de l'étude fait intervenir un four secondaire (pour préchauffer la poudre à une température choisie) afin d'étudier les échanges thermiques lors d'un refroidissement naturel ou contrôlé dans le four principal.

Um die Kryogen-Benutzung und -Kontrolle der Supraleitenden Großmagneten für die Kernfusion (ITER) zu optimieren, wurde der Zweikanalrohrsupraleiterkabel (CICC) mit einer zentralen Spirale entworfen. Der Zentralkanal soll einen minimalen hydraulischen Widerstand und einen schnellen Heliumverkehr gewährleisten, führt jedoch zu einer schwierigeren Abkühlung des Kabels. Das qualitative und ökonomische Grundprinzip der Leiterspirale wird hier durch die Begrenzung der Supraleitertemperatur gerechtfertigt. Der Druckabfall der zentralen Spirale wird experimentell am Stickstoff und danach am Druckwasser ausgewertet und daraus ein hydraulisches Modell vorgeschlagen. Die Temperaturen im Kabel müssen quantitativ bekannt sein, um Hitzestörungen des Supraleiters während des Betriebes der Spule zu verhindern, sowie um ausreichende Spielräume mit entsprechend niedriger Eintrittstemperatur einzustellen. Es wurden analytische eindimensionale Modelle entwickelt, um die thermische Kopplung zwischen den Kanälen des CICC im Dauer- und Übergangszustand besser zu verstehen. Die Messung der Raum- und Zeit-Konstanten liefert eine Versuchsbewertung der internen thermischen Homogenisierung. Es wird ein einfaches und ausdrückliches Modell des globalen Zwischenkanal-Wärmeaustauschkoeffizienten vorgeschlagen. Das bestehende Thermosiphonrisiko zwischen den zwei Kanälen bei vertikale Fusionsspulen verweist auf ein Kriterium. Das neue hydraulische Modell, das Wärmeaustauschmodell und das Kriterium des Thermosiphonrisikos erlauben schließlich die thermohydraulische Optimierung der Kabel-Zentralspirale.; In an effort to optimise the cryogenics of large superconducting coils for fusion applications (ITER), dual channel Cable-In-Conduit Conductors (CICC) are designed with a central channel spiral to provide low hydraulic resistance and faster helium circulation. The qualitative and economic rationale of the conductor central channel is here justified to limit the superconductor temperature increase, but brings more complexity to the conductor cooling characteristics. The pressure drop of spirals is experimentally evaluated in nitrogen and water and an explicit hydraulic friction model is proposed. Temperatures in the cable must be quantified to guarantee superconductor margin during coil operation under heat disturbance and set adequate inlet temperature. Analytical one-dimensional thermal models, in steady state and in transient, allow to better understand the thermal coupling of CICC central and annular channels. The measurement of a heat transfer characteristic space and time constants provides cross-checking experimental estimations of the internal thermal homogenisation. A simple explicit model of global interchannel heat exchange coefficient is proposed. The risk of thermosiphon between the two channels is considered since vertical portions of fusion coils are subject to gravity. The new hydraulic model, heat exchange model and gravitational risk ratio allow the thermohydraulic optimisation of a CICC central spiral.; Afin d’optimiser le contrôle cryogénique des aimants supraconducteurs pour la fusion (ITER), les conducteurs de type câble en conduit à double canal (CICC) comprennent un canal central qui assure une résistance hydraulique minimale et une circulation d’hélium rapide. Le canal central constitué d’une spirale limite la température des supraconducteurs, mais complique singulièrement le refroidissement du câble. Les pertes de charge de la spirale centrale sont évaluées en azote puis en eau pressurisée ; un modèle de friction hydraulique est ainsi proposé. Les températures doivent être connues dans le câble, afin de garantir le fonctionnement des supraconducteurs sous charge thermique. Il est alors possible de définir les marges et de fixer la température d’entrée. Des modèles 1D analytiques en régime permanent et transitoire ont été développés afin de mieux comprendre le couplage thermique entre les canaux du CICC. La mesure des constantes caractéristiques d’espace et de temps fournit une évaluation expérimentale de l’homogénéisation thermique interne. Un modèle simple et explicite du coefficient d’échange intercanal est proposé. Le risque de thermosiphon existant entre les deux canaux pour les parties verticales des bobines de fusion est évalué grâce à un critère. Les nouveaux modèles hydrauliques, thermiques et le critère de risque de thermosiphon permettent l’optimisation thermo-hydraulique de la spirale centrale de CICC.