Understanding self-oscillations in the single-branch pulsating heat pipe

In this thesis, scientific contributions on the understanding of the self-oscillations in the Single-Branch Pulsating Heat Pipe (SBPHP) and on the Self-Oscillating Heat Engine (SOFHE) are presented. The SBPHP is a tube of small diameter closed at one end in which a vapor bubble is followed by a liquid plug. Surprisingly, heating the closed end over a threshold leads to oscillations of the liquid plug which can be maintained indefinitely. Those self-oscillations can be used for cooling, pumping or energy harvesting when coupled to an electromechanical transducer (SOFHE). However the lack of understanding of the dynamics makes it difficult to control the self-oscillations and to understand how to design good devices. In this thesis, some fundamental questions on the dynamics are answered by a theoretical approach and experimental validation, in order to better understand the phenomenon and to provide guidelines for the design of effective devices. We first look at where the oscillations come from and why the amplitude grows during the startup. We show that the compression and expansion of the vapor coupled with the liquid plug inertia leads to a spring-mass system. We then uncover the existence of an instability mechanism due to the interplay of phase-change which acts as a positive feedback and viscous friction, which dissipates energy. The startup occurs when the phase-change coefficient is greater than the friction coefficient. Both the spring-mass system and the instability mechanism are validated experimentally. We then ask: why does the amplitude saturate during the startup? We show, using nonlinear dynamical techniques, that this is explained by a limiting mechanism produced by the nonlinearities . The system reaches a limit cycle, created through a Poincaré-Andronov-Hopf bifurcation. By controlling the phase-change and the friction, one can promote the instability mechanism and reduce the limiting mechanism such that the oscillations amplitude incre
Dans cette thèse, des contributions scientifiques sur la compréhension des auto-oscillations dans le caloduc auto-oscillant mono-branche (SBPHP) et le moteur fluidique auto-oscillant (SOFHE) sont présentées. Le SBPHP est un tube de faible diamètre fermé à l’une des extrémités, dans lequel une bulle de vapeur est suivie d’une colonne de liquide. Étonnamment, chauffer l’extrémité fermée au-delà d’un certain seuil mène à des oscillations de la colonne de liquide qui peuvent être maintenues indéfiniment. Ces auto-oscillations peuvent être utilisées pour refroidir, pomper ou pour récupérer de l’énergie lorsque couplées à un transducteur électromécanique (SOFHE). Toutefois, parce que la dynamique est mal comprise, il est difficile de contrôler les auto-oscillations et de comprendre comment concevoir des dispositifs performants. Dans cette thèse, des réponses à des questions fondamentales sur la dynamique sont obtenues, par une approche théorique et des validations expérimentales, pour mieux comprendre le phénomène et guider la conception. Nous nous demandons d’abord d’où proviennent les oscillations et pourquoi leur amplitude augmente durant le démarrage. Nous montrons que l’inertie de la colonne de liquide couplée à la compression/ dilatation de la vapeur produit un système masse-ressort. Nous révélons ensuite l’existence d’un mécanisme d’instabilité, dû à l’interaction du changement de phase qui agit comme force de rétroaction positive et à la friction visqueuse, qui dissipe de l’énergie. Le démarrage se produit lorsque le coefficient du changement de phase est supérieur au coefficient de friction. Le système masse-ressort et le mécanisme d’instabilité sont validés expérimentalement. Nous nous demandons ensuite : pourquoi l’amplitude sature durant le démarrage ? Nous montrons, à l’aide de techniques de dynamique non linéaire, que cela s’explique par l’existence d’un mécanisme limitant produit par les non-linéarités. Le système atteint un cycle limite, produit par une bi