Soutenance de thèse de Damien Thomas le 16 décembre 2025

Composition du Jury : 

Stéphane VINCENT, Rapporteur, Université Gustave-Eiffel

Lounès TADRIST, Rapporteur, Université Aix-Marseille

Christophe JOSSERAND, Examinateur, Institut Polytechnique de Paris, LadHyX

Stéphane POPINET, Examinateur, Sorbonne Université

Christophe JOSSET, Examinateur, Université de Nantes

Stéphane ZALESKI, Directeur de thèse, Sorbonne Université, CNRS, Jean Le Rond d'Alembert

Jean MOUREH, Examinateur, Université Paris Saclay, INRAE FRISE

Stéphanie LACOUR, Directrice de thèse, Université Paris Saclay, INRAE FRISE

Résumé : 

Dans le secteur de la réfrigération, l’amélioration de l’efficacité énergétique des échangeurs de chaleur constitue un enjeu majeur. Parmi les méthodes étudiées, la pulvérisation d’eau directement sur les échangeurs apparaît comme une stratégie efficace pour renforcer les transferts thermiques grâce au refroidissement évaporatif. Cependant, lorsqu’elle est appliquée sur des géométries complexes comme les ailettes, l’eau pulvérisée ne s’évapore pas instantanément et s’accumule par coalescence localement sous forme de films épais. Ce phénomène de bouchage obstrue les interstices disponibles pour la circulation de l’air, ce qui dégrade fortement les performances thermiques globales. Cette thèse s’intéresse précisément à ces mécanismes d’obstruction ainsi qu’à l’effet des propriétés de mouillabilité sur les transferts thermiques, afin d’identifier des solutions permettant d’améliorer les performances de refroidissement tout en optimisant le dosage en eau.

La première partie est consacrée à l’étude du bouchage. Des expériences réalisées avec des grilles métalliques placées dans le cône d’aspersion ont montré que la géométrie du maillage joue un rôle déterminant. Les maillages larges limitent l’obstruction, alors que les mailles de taille inférieure à la longueur capillaire favorisent l’étalement des films et la création de film d’eau obstruant le passage de l’air. Des simulations numériques ont confirmé la formation progressive de films interconnectés autour des mailles, reproduisant le phénomène de bouchage.

Pour mieux comprendre les mécanismes physiques en jeu, une étude simplifiée a ensuite été menée sur une goutte unique confinée entre deux ailettes, représentant l’état post-coalescence. Trois paramètres principaux ont été identifiés : le nombre de Bond Bo, le rapport d’aspect L/D entre largeur du canal et diamètre de la goutte, et l’angle de contact. Les résultats montrent que les surfaces hydrophiles favorisent l’entrée des petites gouttes dans les canaux grâce aux forces capillaires, mais empêchent leur évacuation, augmentant le risque d’obstruction durable. À l’inverse, les surfaces hydrophobes empêchent l’entrée du liquide mais facilitent son évacuation. Les grandes gouttes avec Bo élevées et un faible L/D se déforment et se fragmentent à l’entrée du canal, ce qui perturbe leur transport et favorise le blocage. À l’inverse, les gouttes de taille comparable à celle du canal ne se fragmentent pas et sont évacuées plus facilement.

La seconde partie traite de la mouillabilité des surfaces et de son rôle dans le refroidissement par film liquide pour des débits d’aspersion faibles, afin de privilégier une consommation d’eau réduite. Sur les surfaces hydrophobes, l’eau forme des gouttes isolées qui glissent rapidement, le contact thermique liquide/paroi est limité et le transfert de chaleur essentiellement convectif reste faible. Sur les surfaces de mouillabilité intermédiaire, les gouttes coalescent et forment un film continu, l’échange convectif augmente et le refroidissement s’améliore avec le débit d’eau. Sur les surfaces hydrophiles, le film est bien étalé et de faible épaisseur en particulier dans les zones latérales, ce qui intensifie l’évaporation et améliore l’efficacité thermique, même à faible débit. Toutefois, une partie du liquide peut stagner sans participer activement aux échanges. Deux régimes de transfert thermique ont été identifiés, un régime évaporatif dominant à très faible débit et un régime mixte convection/évaporation lorsque le débit augmente. Le dosage de l’eau doit être alors suffisant pour éviter l’assèchement de la surface et pour promouvoir son évaporation. Les mesures d’épaisseur de film, vitesse d’écoulement et flux de chaleur évacués ont permis de relier la mouillabilité à l’efficacité thermique, tout en fournissant des données de référence pour la validation de modèles numériques d’écoulements de films minces.