Caractérisation thermique des mousses métalliques

Abstract

Les mousses métalliques sont des matériaux complexes qui existent depuis quelques dizaines d'années. Plusieurs procédés de fabrication ont été développés au fil des ans et chacun conduit à un type de mousse différent. Ce projet d'étude a pour objectif la caractérisation thermique de mousses de cuivre et de cuivre-argent ayant une microstructure particulière de type dentelle. Deux aspects principaux du transfert de chaleur sont étudiés : la conductivité dans le matériau et le comportement en convection forcée. Un chapitre du mémoire est dédié à chacun de ces aspects. Au point de vue de la conductivité thermique, un montage expérimental a été conçu et fabriqué spécialement pour les mousses de type dentelle étudiées (MetaFoam). Une comparaison de ces résultats avec des types de mousses en réseaux et un modèle analytique prenant en compte les caractéristiques physiques des mousses ont été apportés. Il ressort que les mousses métalliques de cuivre et de cuivre-argent de type dentelle (MetaFoam) possèdent un coefficient de conductivité thermique effectif de l'ordre de 3 à 8 W/mK, ce qui est plus faible que des mousses ayant une microstructure en réseaux (Porvair). Le modèle analytique développé permet d'évaluer la conductivité thermique effective en fonction de la porosité de la mousse en dentelle (MetaFoam), des coefficients de conductivité thermique du solide et du fluide et du rapport de l'épaisseur des parois sur le diamètre des pores, rapport qui représente une certaine mesure de la tortuosité dans le solide.Les résultats théoriques concordent aux résultats expérimentaux avec une erreur de « 0.6 W/mK. En ce qui concerne la convection forcée, un banc de test a aussi été spécialement fabriqué. De plus, ce banc permet de mesurer la perte de pression dans le matériau et d'en déduire la perméabilité K. La perméabilité dans les mousses en dentelle est de l'ordre de 1×10[indice supérieur -9] m[indice supérieur 2]. Une comparaison entre les mousses de MetaFoam (dentelle) et les mousses de Porvair (réseaux) est présentée dans ce rapport. En général, les mousses de type dentelle dissipent une quantité de chaleur supérieure, mais leur perméabilité est inférieure aux mousses en réseaux.Les caractéristiques physiques des mousses qui améliorent le transfert de chaleur par convection sont l'augmentation de la surface d'échange spécifique, la diminution de la porosité et l'augmentation du rapport de l'épaisseur des parois sur le diamètre des pores. Celles qui diminuent la perte de pression sont l'augmentation du diamètre des pores, l'augmentation de la porosité et l'augmentation de l'aire ouverte des fenêtres. Deux modèles empiriques adaptés aux mousses en dentelle sont proposés pour le facteur de friction f et pour le nombre de Nusselt Nu. Ces modèles utilisent le paramètre sans dimension de Darcy (Da), ce qui signifie qu'il est possible de déduire f et Nu simplement à partir de la mesure de la perméabilité K.Les résultats expérimentaux correspondent bien aux modèles théoriques développés.