le 1er Colloque International de

MICROHYDRODYNAMIQUE

Actes
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Motivation
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Proceedings
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Motivation
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                                    Contents/Table des exposés

                          as it was presented during the meeting

                      Lundi 16 octobre 2000 matin

9h00 Accueil des participants.

9h30 Allocution d'ouverture . 

M. BOURGEOT (Président du GST/ MIA)

Présentation générale 
D. H. FRUMAN (Administrateur de la SFM,
Président du Comité Scientifique).

                              CONFERENCE GENERALE

                                 Président Michel BOURGEOT

9h45 LA TRIBOLOGIE DE L'ANTIQUITE A NOS JOURS.
J. FRENE (Université de Poitiers)

10h30 Pause 

                                             SYNTHESES 

                                 Président Daniel H. FRUMAN

11h00 MICROHYDRODYNAMICS IN BIOLOGICAL SYSTEMS
O. JENSEN (University of Cambridge)

11h45 MICROHYDRODYNAMIQUE DES ETANCHEITES
STATIQUES 
Microhydrodynamics of Static Seals
J-S. DARROZES (Université Paris VI)

12h30                                Déjeuner pris en commun/Lunch


                                 Lundi 16 octobre 2000 après midi

                                   APPLICATIONS BIO-MEDICALES

Président Didier GEIGER

14h00 PASSIVE MIXING IN MICROCHANNELS
FABRICATION AND FLOW EXPERIMENTS 
D. J. BEEBE, R. J. ADRIAN, M. G. OLSEN, 
M. A. STREMLER and H. AREf (Beckman Institute 
for Advanced Science and Technology)

14h45 LES MICRODIODES FLUIDIQUES/ UNE SOLUTION
ALTERNATIVE AUX MICROVALVES 
M. ANDUZE, H. CAMON et S. COLIN
( LGMT, INSAT, Toulouse et LAAS/CNRS)

15h15 DEBIT DE GAZ DANS LES MICROSYSTEMES
P. LALONDE, S. COLIN et R. CAEN 
(LGMT, INSAT Toulouse)

15h45                      Pause / Coffee break

16h15 A MICRO MASS FLOW CONTROL SYSTEM
Ming-Jye TSAI, Lieh-Shi LO, Tsung- Han TSAI,
Chin-Hon FAN, Tung-chuan WU (Mechanical Industry
Research Laboratories Chutung Hsingchu, Taiwan)

16h45 APPLICATIONS DE LA MICROFLUIDIQUE AUX
BIOPUCES
F. de CRÉCY (DTP/SMTH)

17h15 LA CAVITATION : UN MECANISME PERTURBANT
LA CIRCULATION DE L’EAU CHEZ LES VEGETAUX
T. AMEGLIO, H. COCHARD, P. CRUIZIAT
(U.A. PIAF , INRA, Université Blaise Pascal)

18h00                          Vin d'honneur / Cocktails

**************************************************
                                 Mardi 17 octobre 2000 matin

                                APPLICATIONS INDUSTRIELLES

                                    Président Bruno ARGUEYROLLES

9h00 CAVITATION IN DIESEL INJECTOR NOZZLES
C. ARCOUMANIS, M.GAVAISES and H. FLORA
(Imperial College of Science, Technology and Medicine London.) 

9h30 THE INFLUENCE OF NOZZLE INLET CURVATURE ON
UNSTEADY CAVITATION IN TRANSPARENT DIESEL
INJECTION NOZZLES
H. CHAVES, K. KIRMSE, F. OBERMEIER Institut für
Fluidmechanik und Fluidenergiemaschinen der TU Bergakademie
Freiberg, Germany)

10h00 MODELLING AND COMPUTATION OF UNSTEADY
CAVITATION IN INJECTION NOZZLES
G.H. SCHNERR, J. SAUER, Y. WEIXING
(University of Karlsruhe, Germany)

10h30                        Pause / Coffee break

                              Président Gérard ALBANO

11h00 ETUDE TECHNOLOGIQUE ET CARACTERISATION
D'INJECTEURS PERFORMANTS A MICRO-ORIFICES POUR
PROPULSEURS BI-LIQUIDES DE COUT ET MASSE REDUITS
Technological study and characterization of effective low cost and mass injectors with micro-orifices for bi-liquid rockets engine
P. PRÉVOT , R. LECOURT , R FOUCAUD , P.HERVAT
F. X. d’HERBIGNY (ONERA DMAE/LP Centre du
Fauga-Mauzac)

11h30 MICROFLUIDIQUE ET PARFUMERIE
Y. LECOFFRE (YLEC, Grenoble)

12h15                    Déjeuner pris en commun / Lunch

                              Mardi 17 octobre 2000 après-midi

                                Président René Jean GIBERT

14h00 EFFET DES PAROIS RAINURESs ("riblets") SUR LA
STRUCTURE D'UNE COUCHE LIMITE TURBULENTE
E. COUSTOLS (ONERA/DMAE)

14h30 LA MICROTURBINE, L'EXEMPLE DU M.I.T. 
Y. RIBAUD (ONERA DEFA)

15h00                                Pause

                    Président Paul KUENTZMANN

15h30 MICRO-ECHANGEURS INTEGRES A DES
COMPOSANTS DE PUISSANCE
INTEGRATED MICRO  HEAT SINK FOR POWER COMPONENTS
A BRICARD , C. PERRET, C. SHAEFFER 
(Groupement ADEM/CEA Grenoble)

16h00 MESURE DES COEFFICIENTS DE TRANSFERT
THERMIQUE PAR CONVECTION FORCEE EN
MINI-CANAUX
F. Debray, S. Reynaud, J.P. Franc
(Laboratoire des Champs Magnetiques Intenses,
Grenoble LEGI, Grenoble)

16h00 TECHNIQUE DE CARACTERISATION D'UN
MINI-REGENERATEUR THERMIQUE POUR
MINI-REFROIDISSEUR STIRLING OU TUBE A GAZ
PULSE 
E. PONCET, P. NIKA et D. BEREIZIAT
( I G E Parc Technologique Belfort )

16h30                          SYNTHÈSE ET BILAN

17h00                                   Vin d'honneur

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Les organisateurs se réservent le droit de modifier tout ou partie du programme


Pour tout renseignement d'adresser 
au Secrétariat de la Société Française des Mécaniciens
tél 01 47 17 64 89 - fax 01 47 17 61 31 - E-mail jean-pierre.chaquin@sfmeca.fr



                              MOTIVATION

L'objectif de ce Colloque est de réunir des chercheurs et ingénieurs travaillant sur des problèmes ayant un rapport direct avec la microhydrodynamique. Bien que la microhydrodynamique soit présente depuis toujours dans la mécanique des fluides classique, par l'intermédiaire de la lubrification d'une part et de la circulation sanguine d'autre part, elle est en train de se développer fortement depuis une bonne dizaine d'années. Ce développement a été motivé en grande partie par celui de la
microélectronique et de la micromécanique et touche des domaines extrêmement variés. On peut citer les exemples suivants :

En médecine, la fourniture d'insuline à des patients diabétiques en réponse à des informations fournies par des capteurs implantés, nécessite des pompes capables de délivrer, à la demande, des quantités contrôlées de produit. Il s'agit alors de microhydrodynamique à faibles nombres de Reynolds (<1000).

Dans l'industrie automobile, on doit délivrer des quantités connues de combustible aux cylindres des moteurs Diesel. Pour améliorer la désintégration des jets et la qualité de la combustion, la vitesse dans les orifices d'injection, de diamètre inférieur à 200 µm, atteint presque 500 m/s avec des pressions motrices supérieures à 1000 bar (100 MPa). Les nombres de Reynolds sont alors modérément élevés, de l'ordre de 10000, et des changements de phase par cavitation se produisent à l'entrée des orifices.

La propulsion de satellites par hydrazine peut être améliorée en utilisant, en
complément aux réservoirs pressurisés, des pompes à membrane opérant à plus de
100 Hz, fréquences largement supérieures à celles employées couramment pour ces
pompes. Ces fréquences entraînent des problèmes nouveaux au niveau de la réponse
des clapets à bille et, en particulier, l'apparition de la cavitation pour les pressions de
réservoir faibles. 

Le refroidissement des circuits électroniques modernes nécessite l'utilisation
d'échangeurs de très petite taille avec le fluide réfrigérant circulant par des canaux de
dimension de l'ordre de quelques centaines de microns. Les nombres de Reynolds
sont généralement inférieurs à ceux de la transition laminaire-turbulente mais, dans le
cas des réfrigérants liquides, il peut se produire des changements de phase par
ébullition nucléée. 

 

                                                    1st International Colloquium on

                                             MICROHYDRODYNAMICS



The objective of this Colloquium in to assemble scientists and engineers working on problems having a direct impact on microhydrodynamics. Although microhydrodynamics has been an early topic of
classical fluid dynamics, through the problems posed by, say, lubrication and blood circulation, its
development has risen during the last ten years. This recent development has been greatly promoted
by the development of microelectronics and micromechanics applications (MicroElectroMechanical
Systems (MEMS)) and concerns numerous areas of engineering. The following examples can be cited:

In medical applications, the delivery of insulin to diabetic patients as a response to informations given
by implanted gauges, needs pumps capable to feed, on demand, controlled quantities of the product.
This is a low Reynolds number (< 1000) application.

In the automotive industry, known quantities of fuel have to be delivered to the cylinders of Diesel
engines. To improve the disintegration of the injected fuel jets and the quality of the combustion, the
velocity in the injection orifices, generally having a diameter of less than 200 µm, is of near 500 m/s
with driving pressures larger than 1000 bar (100 MPa). Reynolds numbers are moderate, around or
larger than 10 000, and phase change situations due to cavitation can occur at the entrance of the
orifices. 

In the aerospace industry, improved propulsion systems have been developed through miniaturised
components for fuel injection and nozzles. 

The cooling of modern electronic circuits requires the use of very small heat exchangers where the
cooling liquid circulates in channels of few hundred microns width. The Reynolds numbers are generally below those of the laminar –to-turbulent transition but, in the case of liquid coolants, phase change can occur by nucleate boiling. 

For additional information contact Daniel H. Fruman

Phone: 33 1 39 58 93 32

Fax: 33 1 39 58 93 32

E-mail: DHFCONSEIL@aol.com



                                              RESUMES/ABSTRACTS

                                      Microhydrodynamics in Biological Systems.
                                                        O.E. Jensen
  Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics-University of Cambridge

There are numerous biological processes dominated by microhydrodynamics. A familiar example of life at zeroReynolds number is that of small or single-celled micro-organisms, who must adopt unique strategies in order topropel themselves through their viscous fluid environment, and who must capture nutrients from their surroundings without relying on any assistance from inertial forces. In larger organisms, such as mammals, small-scale internal fluid motions are important in a wide variety of contexts. Two important examples will be discussed in this lecture: blood flow in the microcirculation; and the flow of liquids in the smallest airways of the lung.
Blood is a concentrated suspension of cells, the majority of which are highly deformable red blood cells (RBCs). While blood normally behaves like a classical Newtonian fluid in large blood vessels, it exhibits strongly non-Newtonian behaviour in the smaller arterioles, capillaries and venules of the microcirculation. In these small vessels, which have diameters comparable to those of RBCs, the motion of blood is dominated by competition between viscous forces in the suspending plasma and elastic forces in the membrane of each RBC. This competition has striking consequences in the smallest capillaries, having diameters of a few microns, where RBCs must progress in single file down each vessel, undergoing dramatic changes of shape in order to squeeze through each capillary. The mechanical properties of RBCs, and of larger, less deformable leukocytes, have been well characterized xperimentally, allowing sophisticated fluid-mechanical models to be developed to help explain the rheology of blood in networks of capillaries; a survey of progress in this area over the past 30 years will be presented. These models are now being extended to describe related topics such as the adhesion of leukocytes to the walls of venules in responseto injury or inflammation, where discrete attractive bonds between specific receptor-ligand molecules play a central role in controlling the motion of the cell.

The airways of the lung are lined with a thin layer of liquid, so that throughout the lung is an air-liquid interface with a large surface area. Surface tension, acting at this interface, therefore plays a major role in the mechanics of respiration. Its effects are most pronounced in the smallest airways of the lung, where interfacial curvatures are largest, where theairways are readily deformed by imposed stresses, and where airflows are controlled by viscous forces alone.Surface tension can cause the liquid lining of small airways to spontaneously form liquid plugs which occlude the airway and impair gas exchange. If surface tension is abnormally high, as is the case for severely premature infants who produce inadequate quantities of pulmonary surfactant, surface tension can also lead to flooding and collapse of small airways, leading to severe respiratory distress. Fluid-mechanical models of pore-scale, two-phase flows in deformable porous media provide important insights into the conditions under which airway closure and reopening may occur, and into clinical techniques such as Surfactant Replacement Therapy which aim to lower levels of surface tension; some recent developments in this field will be reviewed. The role of chaotic advection in enhancing gas mixing and transport in small airways will also be described.

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Passive Mixing in Microchannels: Fabrication and Flow Experiments

David J. Beebe^1,3, Ronald J. Adrian², Michael G. Olsen¹, Mark A. Stremler¹, Hassan Aref², and Byung-Ho Jo^1
1Beckman Institute for Advanced Science and Technology
²Department of Theoretical and Applied Mechanics University of Illinois at Urbana-Champaign
³Department of Biomedical Engineering University of Wisconsin-Madison

ABSTRACT

Obtaining rapid mixing in microfluidic systems is a problem that must continue to be addressed if microelectromechanical systems are to attain their full potential in commercial markets. We present the paradigm of ‘designing for chaos’ as a general framework for enhancing mixing in microfluidic applications. Designing for chaos is based on a fundamental understanding of the kinematics underlying the mixing process, freeing the MEMS researcher to work with design guidelines instead of empirically determined physical configurations. We have applied this strategy in designing a passive in-line micromixer that relies on three degrees of freedom to create chaos. The mixer design was fabricated using a compression micromolding process to create three-dimensional flow channels in polydimethylsiloxane (PDMS). Computational and experimental analyses demonstrate the effectiveness of the resulting design in generating chaos in the flow and hence enhancing mixing.

One segment of the ‘3D serpentine’ mixer. The fabricated mixer consists of 11 segments placed end-to-end, and the channel cross-section is 300µm x 300µm

                                          Microhydrodynamique des Etanchéites Statiques
                                               Microhydrodynamics of Static_Seals
                                                   Jean-Sylvestre DARROZÈS

                                    Laboratoire Fluides Complexes, Université Paris VI
                                          8 rue du Capitaine Scott, 75015 Paris

Résumé

Lorsque deux pièces métalliques sont mises en contact par serrage afin d'assurer l'étanchéité entre elles, il subsiste des interstices qui peuvent laisser passer un fluide sous l'action d'une différence de pression. Dans des conditions d'opération extrêmes (très grande variation de pression et température entre l'entrée et la sortie), le fluide ne peut plus être considéré comme isotherme au cours de son évolution. Il y a alors couplage de température entre le fluide et la paroi. Il s'agit d'un problème de microhydrodynamique faisant intervenir des nombreux phénomènes physiques et qui nécessite une analyse en vue de déterminer l'importance respective de chacun d'eux.

En partant des équations générales de la mécanique des milieux continus (solides et fluides) écrites sous forme adimensionnelles, on établit une classification des diverses situations possibles. On détermine sous quelles conditions la conduction, la dilatation, la convection et l'échauffement visqueux deviennent prépondérants et jouent un rôle moteur dans l'évolution thermique du fluide afin d'évaluer leur influence sur l'ordre de grandeur du débit de fuite.

Dans le cas où la dilatation thermique est prépondérante la perte de charge le long des passages ne varie plus linéairement avec une pente moyenne constante. Au contraire, il existe deux régions, l'une à faible gradient de pression sur la presque totalité du passage, et l'autre, à fort gradient de pression sur une longueur courte en amont immédiat de la sortie. La différence de pente est d'autant plus grande que la dilatation est grande, ce qui est le cas notamment dans le cas d'un changement de phase liquide-vapeur.

Abstract

When two metallic surfaces are pressed one against the other in order to make a seal tight, some tiny paths may remain allowing a fluid to leak under a pressure drop. In extreme situations (very large pressure and temperature difference between the entrance and the exit), the evolution of the fluid temperature is not isothermal. There is then a thermal coupling between the fluid and the solid constituting the walls of the domain. Since numerous physical phenomena are involved in this microhydrodynamic problem, a dimensional analysis is necessary to predict the dominant one(s). The general equations of continuum mechanics for the fluid and the solid are written in dimensionless form with the proper choice of characteristics scales. This allows to establish under which circumstances conduction, dilatation, convection and viscous friction heating are predominant. The consequence of these situations on the leakage flow rate of is then evaluated.

In particular, it is shown that when the fluid thermal dilatation is predominant, the leakage flow rate is mitigated and the pressure drop along the seal is divided in two regions : one with a low pressure gradient over most of the seal's length, and the other, over a very short length at the seal's exit, where the pressure drop is very large. The largest is the dilatation coefficient, the strongest is the pressure gradient discontinuity. The limiting case being when a liquid-vapour phase change occurs.

                         Les microdiodes fluidiques : une solution alternative aux microvalves.
                                 Marc ANDUZE*, Henri CAMON# et Stéphane COLIN*
                                  * LGMT, INSAT, Dépt. de Génie Mécanique,- Toulouse
                                                  # LAAS-CNRS - Toulouse

Parmi les microsystèmes à fluide figurent en première place les microvalves, dont le rôle est essentiel dans tous les phénomènes de transport et de contrôle de fluide, qu'il soit liquide ou gazeux. La majorité des microvalves, qu'elles soient actives (commandées) ou passives (réagissant à l'écoulement), comportent des parties mécaniques mobiles. Ilen résulte des difficultés de réalisation technologique et une fiabilité limitée par des risques de rupture ou d'encrassement, particulièrement avec des fluides complexes, tels que ceux utilisés dans les domaines biologique et médical. Une solution alternative consiste à utiliser des microdiodes, qui peuvent dans de nombreux cas jouer le rôle de microvalves sans parties mobiles. Ces diodes se comportent comme des singularités hydrauliques qui offrent des impédances différentes selon le sens de passage du fluide. Ainsi, pour une différence de pression donnée, la valeur absolue du débit est différente selon le sens d’application du gradient. 

Trois géométries différentes ont à ce jour été testées dans la littérature. Aux Etats-Unis, les études ont porté sur des microdiodes planes de type Tesla . En Suède, ont étudié des microdiodes bidimensionnelles de type convergent-divergent. Enfin, en Allemagne, l'équipe de a fabriqué des diodes également de type convergent-divergent, mais tridimensionnelles. Dans l'ensemble, ces différentes microdiodes ne sont pas réellement optimisées et seuls quelques modèles rudimentaires ont été développés.

Dans ce papier, on présente une première étape d’optimisation portant sur un nouveau type de microdiode, à l’aide d’une double approche, expérimentale et théorique. Le principe même de cette diode, appelée diode vortex, est connu depuis plusieurs décennies. Elle est constituée de deux canaux  et d'une chambre centrale ® cylindrique,
dont la section est limitée pas une spirale (fig. 1). Lorsque le fluide arrive par le canal tangentiel 
Il se crée dans la chambre ® un tourbillon qui génère une perte de charge importante : il s'agit du sens résistant. Lorsque le fluide arrive par l'orifice  , il ressort par le canal  sans avoir tourbillonné, ce qui limite les pertes de charge : ce sens est appelé sens passant. L'efficacité de cette diode (rapport du débit dans le sens passant sur le débit dans le sens résistant) en régime turbulent est généralement supérieure à celle des autres types de diodes. Par contre, elle n'a jamais été réalisée et testée avec des dimensions submillimétriques, vraisemblablement parce que son fonctionnement semble au premier abord lié au caractère turbulent de l'écoulement, alors qu’il est majoritairement laminaire dans les microsystèmes. Suite à une première analyse numérique, nous avons conclu que la diode vortex fonctionnait en régime laminaire.
Plusieurs échantillons de microdiodes ont alors été réalisés sur support silicium (fig. 1). La gravure de la partie principale, de profondeur comprise entre 40 et 80 µm, est obtenue par DRIE (Dry Reactive Ion Etching) sur la face avant du wafer de silicium, qui est ensuite fermée par bonding d’une plaque de Pyrex. Le canal axial ‚ réalisé en face arrière du wafer par attaque anisotrope à l’hydroxyde de potassium, prend la forme d’un tronc de pyramide de section carrée. Les échantillons sont testés sur un banc d’essai permettant de mesurer des microdébits, dans des conditions de pression et température parfaitement régulées. Les efficacités (de l’ordre 30% pour une différence de pression de 800 hPa) relevées sur ces premiers échantillons sont comparables à celles des meilleures microdiodes étudiées dans la littérature.
Parallèlement, une modélisation numérique a été menée à l’aide du code volumes finis Fluent (fig. 2). Elle permet une analyse locale de l’écoulement et débouche sur une meilleure compréhension du rôle joué par les différents paramètres géométriques. Les confrontations entre simulation numérique et mesures expérimentales sont ensuite commentées. Elles sont satisfaisantes, surtout dans le sens résistant (fig. 3). Une première étape d’optimisation numérique est alors proposée. Pour finir, les développements futurs et applications possibles (micropompes,…) sont présentés.

Figures : 



Figure 1 : microdiode vortex usinée sur silicium par DRIE



Figure 2 : simulation numérique : champ de vitesses dans le sens d’écoulement résistant



Figure 3 : confrontation entre simulation numérique et mesures expérimentales (liquide : eau)

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Mesure de débit de gaz dans les microsystèmes.
           Pierre LALONDE*, Stéphane COLIN* et Robert CAEN*
           * LGMT, INSAT, Dépt. de Génie Mécanique, Toulouse , France

Un nombre important de microsystèmes est amené à véhiculer des gaz (microcanaux, microéchangeurs de chaleur,…ou à en commander le flux (microvalves, micropompes,…). La réduction significative des dimensions caractéristiques, fréquemment de l’ordre du micron, conduit à des écoulements qui présentent des propriétés différentes de celles des écoulements observés dans les systèmes de plus grande taille. La raison principale en est la raréfaction, qui apparaît dès que le libre parcours moyen des molécules n’est plus négligeable devant les dimensions caractéristiques de l’écoulement. Ainsi, sous des conditions de température et de pressions usuelles, le régime rencontré est souvent un régime faiblement raréfié, dit de " slip flow ", caractérisé par un nombre de Knudsen compris entre 10-3 et 10-1. La théorie prévoit qu’il peut être modélisé convenablement à partir des équations de Navier Stokes, à condition d’y associer des conditions aux limites traduisant un saut de vitesse et de température à la paroi .

Peu d’auteurs se sont attachés à valider expérimentalement ce modèle, qui prédit une augmentation du débit par rapport aux modèles classiques. De plus, les confrontations des mesures avec la théorie conduisent quelquefois à des conclusions contradictoires, parfois tirées par les mêmes auteurs à quelques mois d’intervalle. Il est en effet possible d’utiliser des conditions aux limites plus ou moins élaborées (d’ordre un ou d’ordre supérieur) et surtout de caler les coefficients d’accommodation, représentatifs du mode de réflexion des particules à la paroi. Pour valider tel ou tel choix, il est important de disposer d’une base de données expérimentales complète et précise. Or les données actuelles sont peu nombreuses et pour l’essentiel uniquement dues à deux équipes américaines . Elles sont relatives à des écoulements permanents dans des microcanaux de grande longueur relative.

C’est dans le but de compléter ces données, et également pour disposer d’un outil permettant de tester toutes sortes de microsystèmes (actifs ou passifs) véhiculant des gaz, que nous avons conçu le banc d’essai présenté dans ce papier. Par rapport aux bancs existants, il présente trois avantages principaux :

Il effectue une double mesure à l’amont et à l’aval du microsystème, ce qui permet de détecter toute microfuite, au niveau des connections ou du microsystème lui-même.  Les conditions de pression sont réglées indépendamment en amont et en aval du microsystème, ce qui permet notamment de tester certains éléments (tels les microvalves) sous charge.  La mesure est automatisée, ce qui en accroît la précision. 

Le fonctionnement du banc (fig. 1) est détaillé dans le papier. Ce banc peut mesurer des débits dans la plage 10-13 à 5.10-8 m3s-1, sous des pressions comprises entre 1,2 kPa et 0,4 MPa. Les débits sont obtenus par mesure du déplacement d’une goutte de liquide à l’intérieur de pipettes calibrées de précision. Cette mesure est effectuée par deux batteries de capteurs opto-électroniques, dont le signal est traité par un micro-ordinateur. Les distances entre chaque couple de capteurs (fig. 2) font l’objet d’un étalonnage individuel. Chaque mesure est doublée : elle est effectuée sur l’interface amont puis sur l’interface aval de la goutte. L’ensemble est thermostaté.
Les premières mesures, obtenues pour des microtubes dont le diamètre est de quelques microns, sont présentées.Une analyse de leur précision est détaillée. Des confrontations avec la théorie ou d’autres résultats expérimentaux de la littérature sont alors commentés. On constate notamment qu’un soin tout particulier doit être porté à la mesure des dimensions de la section des microcanaux. En effet, le diamètre hydraulique intervenant à la puissance quatre dans le calcul théorique du débit, une très faible erreur sur sa mesure peut conduire à des interprétations erronées des confrontations théorie-expérience.

Figures : 



Figure 1 : schéma de principe du banc d’essai


Figure 2 : schéma de principe du système de mesure optique de débit



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                         A Micro Mass Flow Control System

Lieh-Hsi Lo, Ming-Jye Tsai, Tsung-Han Tsai, Chin-Hon Fan, Chia-Lin Wu, 
*Ruey-Shing Huang MEMS Research Div. MIRL/ITRI Chungtung, Hsinchu, Taiwan 310, R.O.C
*Department of Electrical Engineering, National Tsing-Hua University, Hsinchu, Taiwan 300, R.O.C.

                                                            Abstract

 

A silicon-based micromachined mass flow control system is developed in this research, which consists of a normally closed thermally driven valve and a thermal flow sensor with a confined channel. The valve and the flow sensor are designed to be fabricated on a silicon wafer by the same process flow. With an appropriate feed-back control circuit, the valve and the flow sensor are integrated to control the fluid mass passed through. Measurements of nitrogen and water are reported.

         Fluid sensing device

Etude technologique et caractérisation d’injecteurs performants
à micro-orifices pour propulseurs biliquides de coût et masse réduits

Pierre Prévot *, Renaud Lecourt **, Robert Foucaud **, Pierre. Hervat***,
François X. d’Herbigny **

* ONERA DMAE/LP Centre du Fauga-Mauzac, 31410 Mauzac
** ONERA DMAE/MH Centre du Fauga-Mauzac
*** ONERA DMTE/BET Centre de Chatillon, 29 Av. de la Division Leclerc, 92 322 CHATILLON

 

RESUME :

Des injecteurs pour moteur fusée ont été réalisés et testés à l’ONERA. Grâce à une technique de fabrication originale , ils permettent d’obtenir des caractéristiques de pulvérisation supérieures à celles obtenues avec des injecteurs classiques. Cette amélioration augmente les performances, permet une réduction de la taille des chambres de combustion et par là même de leur masse, tout en réduisant les coûts de fabrication dans le cas de petites séries.

Ces injecteurs sont constitués de plaques minces qui sont usinées par des moyens classiques ou par usinage chimique avant d’être assemblées par soudure diffusion ou brasage. Ce mode de réalisation permet de concevoir des circuits hydrauliques qu’il serait impossible de réaliser avec les moyens conventionnels d’usinage.

Cette technique, développée aux Etats Unis par la Société AEROJET pour la réalisation d’injecteurs mais aussi de chambres complètes et d’échangeurs de chaleur depuis les années 70, a été reprise à l’Office dans le cadre d’études pour le CNES.

Un injecteur de ce type utilisé à l’ONERA comme moyen d’essai sur un générateur d’air très chaud, a donné entière satisfaction. Un développement industriel demanderait, d’une part la volonté de franchir le pas technologique au niveau de la conception, d’autre part de combler le retard que l’on observe en France par rapport à l’étranger dans le domaine de la soudure diffusion pour des matériaux, autres que le titane, comme l’acier inoxydable en particulier.

Technological study and characterization of effective low cost and mass injectors
with micro-orifices for bi-liquid rockets engines

ABSTRACT :

Injectors for space rockets engines have been realized and tested to ONERA. Thanks to an original manufacture technique, they allow to get characteristics of pulverization superior those obtain with classic injectors. This improvement increases performances, allows a reduction of the size of combustion chambers and by there even of their mass, while reducing manufacture costs in the case of small series.

These injectors are constituted of slim plates that are tolled by the standard or chemical means before to be gathered by difusion bond or brazing This mode of realization allows to conceive hydraulic circuits which would be impossible to realize with conventional metal machining. This technique, developed to United States by the AEROJET Company for the realization of platelets injectors but also for complete combustion chambers and heat exchangers since 70s, has been taken up again at Office in the framework for studies for the CNES.

An injector of this type used to ONERA as test means on a very hot air generator has given whole satisfaction. An industrial development would ask, on the one hand the will to get over at the level of the design, on the other hand to fulfill the delay that one observes in France as compared to foreign countries in the area of the difusion bond for materials, others that the titanium, as stainless especially.

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Modeling and Computation of Unsteady Cavitation in Injection Nozzles

G.H. Schnerr, J. Sauer, Y. Weixing 

University of Karlsruhe (TH),Germany

e-mail: guenter.schnerr@mach.uni-karlsruhe.de

Abstract

Control and optimization of the flow through injector nozzles is important because it affects the spray formation, the atomization process of the liquid fuel and, therefore, the efficiency and emission of the combustion process. The dominating characteristics of the underlying fluid dynamical problem are unsteadiness caused by instantaneously very high pressure pulses, respectively very high flow velocities, local two-phase flow after partial cavitation of the liquid fluid, nonequilibrium due to the small scale of 10-4-10-3 m of the nozzle and laminar/turbulent interaction, depending on local shape parameters of the nozzle design. It is obvious that modeling and computation of such a complex fluid dynamical problem requires substantial simplifications Our main interest concerns simulation of unsteady cavitation phenomena inside the nozzle. Experimental visualizations have shown that the strong suction peak at the nozzle inlet initiates local evaporation of the liquid forming a so called cavitation sheet which becomes unstable further downstream with periodic unsteady break off of vapor clouds. Measurements of the spray characteristics outside of the nozzle have shown that cavitation inside the nozzle tends to increase the spray angle.

The present numerical approach for our cavitation model bases on a combination of the Volume-of- Fluid technique (VOF), originally developed for capturing of free surfaces, with additional models for the growth and collapse of bubbles. From a macroscopic view we calculate a time dependent vapor distribution. However, depending on the individual bubble growth model, we resolve the spatial and time dependent bubble size distribution etc. The dispersed bubbly flow is treated as homogeneous mixture, monodispersed bubble radii distribution is presumed in each  computational cell. The governing equations (conservation of mass, momentum, energy - if included, and the void fraction equations form a very stiff system which requires usage of a special relaxation technique to obtain convergent solutions. To overcome numerical problems due to the strong variation of the densities between the liquid and vapor phase, we use the so-called non-conservative form of the continuity equation with the advantage of continuous volume fluxes at the cell interfaces. Together with the relation for the bubble growth velocity dR/dt, e.g. the Rayleigh or theRayleigh-Plesset equation, the non-conservative continuity equation is solved together with the momentum equation by a SIMPLE algorithm. Two different approaches can be included to preserve the energy balance if higher temperatures lead to higher vapor pressures with significant damping of the bubble growth rate.

Variation of size and concentrations of the nuclei in the oncoming liquid flow indicate that typical concentrations, known from classical cavitation in hydrodynamics in pumps and turbines, are unable to reproduce cavitation phenomena as seen in experiments. Under these conditions no cavitation can be observed, because the duration inside the low pressure region at the inlet of the injection nozzle is much to low to create significant growth of the submicron cavitation nuclei. Due to the complete lag of data of pre-existing nuclei in very fast expanding liquid flows we treat these quantities as free parameters and we found out that only nuclei concentrations of several orders higher,together with nuclei radii much smaller as known from hydrodynamic cavitation are able to reproduce experiments in injection nozzles. This leads us to the conclusion that nonequilibrium processes like homogeneous nucleation in the pure vapor phase are expected to control the formation of cavitation nuclei in such small scale nozzle flows.
Additionally we show how appropriate respectively unsuitable boundary conditions can affect the unsteady cavitation dynamics inside the injection nozzle.

                     Computed steady vapor fractions

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               Application de la microfluidique. Le PICODROP. Diffuseur de parfums.
                                   Yves LECOFFRE. 
                                YLec Consultants, 
                 Le Manhattan, 24 Bv de la Chantourne38700 La Tronche. 
Dans l'esprit du grand public, l'art du parfum est souvent lié au génie d'un "nez" créateur qui agite d'un
air inspiré un ensemble de touches odorantes, "nez" dont la représentation cinématographique est
magistralement incarnée par Yves Montand dans le film "le Sauvage". 

Ceci résume assez bien la problématique de la diffusion des parfums qui consiste en effet à déposer
un mélange complexe de composants olfactifs sur un support diffusant et de faire en sorte que l'odeur
produite en raison de l'évaporation de ces espèces, préalablement mélangées à l'air ambiant,
surprenne, si possible agréablement, des millions de nez de consommateurs élus au rang de critiques
éclairés par la magie de la fée communication. 

La parfumerie est une branche majeure de la microfluidique. Pour les seuls parfums d'ambiance, ce
sont environ 2 milliards de diffuseurs, pour la plupart jetables, qui sont produits annuellement dans le
monde. 

Le problème technique consiste à évaporer de manière régulière un volume de parfum pur de l'ordre
de 0.3 ml par jour en faisant en sorte que son odeur reste inchangée pendant des périodes variant de
la journée pour la parfumerie corporelle au mois, voire à l'année pour la parfumerie dite d'ambiance. 

Le présent exposé concerne la parfumerie d'ambiance, destinée à améliorer le confort olfactif des
habitations individuelles. 

Il existe des produits "grand public" dont les principes de fonctionnement sont assez semblables, qui
consistent à imprégner un support poreux du produit à évaporer et à laisser ces produits s'évaporer
librement dans l'atmosphère. 

Le résultat est connu de tous les utilisateurs de ces diffuseurs. Malgré le soin particulier apporté à la
composition des parfums, la plupart d'entre eux se caractérisent par une production d'odeur non
constate aussi bien en qualité qu'en puissance. En général, les odeurs sont trop fortes à la mise en
service des appareils et décroissent très rapidement pour disparaître au bout de quelques jours. 

Ce comportement des diffuseurs est du au fait que les constituants légers du parfum, ceux dont la
tension de vapeur est la plus haute, tendent à s'évaporer plus vite que les produits lourds. En
conséquence, les supports imprégnés de ces parfums s'appauvrissent en éléments volatils. Bien
évidemment, l'odeur évolue au cours du temps en qualité et en puissance. De plus, comme le montre
la figure 1, la tension de vapeur et donc la vitesse d'évaporation sont très sensibles à la température. 

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La cavitation : un mécanisme perturbant la circulation de l’eau chez les végétaux



Thierry Améglio, Hervé Cochard, Pierre Cruiziat

U.A. PIAF (INRA, Université Blaise Pascal)

Centre INRA de Clermont-Fd-Theix

Site de Crouelle,234 av. du Brezet

63039 Clermont-Ferrand Cedex 02



Dans cette présentation, nous faisons une synthèse des connaissances acquises récemment sur le fonctionnement
hydraulique des végétaux et l’ascension de la sève brute des arbres en particulier. Chez les plantes, la quasi totalité de
l’eau puisée dans le sol ne fait que traverser le végétal avant de s’évaporer dans l’atmosphère ; c’est la transpiration.
Le moteur de cette circulation est l’énergie solaire qui permet de faire passer l’eau liquide arrivant aux feuilles sous
forme de vapeur. Ce mode de transport a deux particularités très surprenantes : d’une part, il est capable de tirer
l’eau du sol à des hauteurs bien supérieures à celles atteintes avec les meilleurs pompes aspirantes artificielles ; d’autre
part, il implique que la sève circulant dans le réseau de très fins capillaires (20 à 300 ?m de diamètre, 1 mm à 3 m de
long) constitués de cellules mortes assemblées, les vaisseaux du bois, se trouve sous tension et non sous pression.
Mais cet état de tension est physiquement instable : il est sujet à la cavitation. Ces phénomènes se produisent en
période de sécheresse, ou après des gelées, et sont liés à la formation de bulles d'air dans les tissus conducteurs de
sève brute. Leurs conséquences physiologiques sont graves pour l'arbre car les vaisseaux cavités deviennent
impropres à la conduction. Ceci peut, à terme, provoquer des dessèchements de cimes. Les arbres présentent des
degrés de vulnérabilité à la cavitation très variés. La zone conductrice, l’aubier, des espèces à gros vaisseaux (Chêne,
Frêne) est très sensible au gel alors que celui des espèces à petits pores (Noyer Erables, Hêtre, Conifères) l'est
beaucoup moins. La vulnérabilité au stress hydrique n'est pas lié à la taille des vaisseaux mais à la taille des pores des
ponctuations séparant deux vaisseaux contiguës. Enfin les plantes ont élaborés de nombreuses stratégies pour
contourner, limiter et/ou réparer l’apparition de tel événements de cavitation.

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Effet des parois rainurées ("riblets") sur la structure d’une couche limite turbulente.

E. Coustols
ONERA/DMAE – 2 avenue Edouard Belin, 31055 Toulouse Cedex 
 

La prise de conscience de l’organisation de la turbulence dans une couche limite a conduit à essayer d’agir sur sa structure, en vue notamment de réduire la traînée de frottement. L’examen de la décomposition de la traînée d’un avion de transport révèle que la part du frottement aérodynamique représente environ 45% pour un avion de transport transsonique moderne. Ainsi, il n’est pas surprenant que l’ONERA ait consacré depuis de nombreuses années un effort important pour tenter de réduire cette traînée de frottement.

Une méthode passive, qui consiste à modifier la géométrie de la paroi par l’utilisation de rainures longitudinales ou "riblets", semble être la plus attrayante car elle est relativement facile à mettre en œuvre et très prometteuse pour une application à l’avion. Pendant longtemps, on a cru que le meilleur moyen de minimiser le frottement était de rendre la paroi aussi lisse que possible (hydrauliquement lisse) ; cela vaut mieux, bien sûr, que d’avoir affaire à une paroi complètement rugueuse, mais l’emploi de parois non planes s’est révélé intéressant. Il est souvent mentionné que l’idée originale de ces parois striées est issue d’observations zoologiques : certaines peaux de requins montrent l’existence de micro-structures longitudinales et transversales.

Plusieurs études à caractère fondamental ont montré avec les moyens de mesure de laboratoire que les parois rainurées pouvaient réduire le frottement de façon significative. Dans un contexte plus proche des applications, des essais réalisés sur une maquette d’Airbus A320 dans la soufflerie S1MA de l’ONERA, ont confirmé les performances de ces parois rainurées, conduisant Airbus Industrie et ses partenaires à réaliser des essais en vol sur l’avion prototype A320 en novembre 1989. En conditions de croisière, un gain total de 1,5% sur la traînée totale fut enregistré.

Un certain nombre d’explications ont été avancées concernant les mécanismes d’action de ces parois rainurées :
effets d’origine purement visqueuse (les rainures induiraient dans les creux une région où l’écoulement est fortement ralenti, dont le frottement est faible) ou modification de la structure de la turbulence au sein de la couche limite(re-structuration de l’écoulement dans la région de paroi, écoulement moins tridimensionnel, diminution de l’agitation turbulente, …). Afin de mieux analyser les phénomènes mis en jeu, il est indispensable de disposer d’informations aussi précises que possible à l’intérieur des rainures. Cependant les expériences sont très délicates du fait des faibles dimensions des rainures ; de fait, les efforts entrepris afin d’appréhender les mécanismes d’action de ces "riblets" peuvent se trouver naturellement entravés. 

De nombreuses tentatives de calcul ont été faites pour des écoulements internes et externes se développant sur des parois rainurées. Les résultats obtenus sont très souvent contradictoires du fait, d’une part, de la difficulté de générer un maillage épousant le mieux possible la géométrie de proche paroi autour des stries et, d’autre part, d’appliquer une modélisation correcte de la turbulence dans cette région. Des résultats issus d’une simulation numérique d’un écoulement de canal, dont une paroi était rainurée, ont permis d’obtenir une réduction de frottement turbulent et de vérifier certaines observations expérimentales sur la modification de l’écoulement turbulent.
Ainsi, il est proposé dans ce papier, une synthèse des études expérimentales menées à l’ONERA et dans le monde pour évaluer les performances de telles parois rainurées. Des résultats typiques de la modification de l’écoulement turbulent, mesuré ou bien calculé au voisinage des rainures, seront également analysés, afin de documenter les effets significatifs attribués à la présence de ces parois rainurées dans un écoulement turbulent.

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MICRO-ECHANGEURS INTEGRES A DES COMPOSANTS DE PUISSANCE
INTEGRATED MICRO  HEAT SINK FOR POWER COMPONENTS

                    A.Bricard * , C. Perret * * , C. Shaeffer * * 

* Groupement ADEM/CEA pour la recherche sur les échangeurs thermiques Grenoble * * Laboratoire d'Electronique de Grenoble INPG/UJF- CNRS.UMR 5529 

Résumé – Après un bref rappel sur le contrôle thermique des composants électroniques, le refroidissement des semi-conducteurs de puissance IGBT à l’aide de micro-échangeurs est étudié. Aujourd’hui, avec la forte l’augmentation de la densité de flux résultant de la miniaturisation et de l’augmentation des fréquences de fonctionnement, la chaleur doit être évacuée au niveau même du composant. Deux modes de refroidissement sont considérés - la convection forcée simple phase et la convection forcée double phase – et ont été mis en œuvre respectivement sur des dispositifs avec des microcanaux et des minicanaux en cuivre comportant  huit et quatre puces IGBT. Parallèlement, un microrefroidisseur en silicium a été réalisé et essayé dans le but de s’affranchir des problèmes d’isolation électrique et de comportement thermomécanique liés  à l’utilisation du cuivre, et de minimiser les coûts de fabrication.     

Le principe des microrefroidisseurs et une approche de modélisation 3D de leur dimensionnement sont d’abord présentés, les dispositifs sont ensuite testés et les résultats analysés. 

Abstract - After a brief overview on thermal management of electronic components, the cooling of insulated gate bipolar transistor (IGBT) power components by the use of micro heat exchangers is investigated. To day, more and more compact converters with high current are required. The thermal environment is a key point to meet these requirements: the heat sink must be integrated as closely as possible to heat sources. Liquid-cooled microchannel and liquid/vapor-cooled minichannel heat sinks are very efficient and well adapted to the cooling of power components. Thus, a single and a two-phase micro heat sink in copper were respectively composed of eight and four IGBT chips were made and tested. In the same time, a micro heat sink entirely machined in silicon has been investigated and tested in order to circumvent some disadvantages (electrical isolation and thermal stresses) of the copper devices and to minimise the coast.

First, the principle of the microchannel heat sink and a three-dimensional approach are presented. Then, then the prototypes and the results are described.   

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Mesure des coefficients de transfert thermique par convection forcée en mini-canaux

                                   F. Debray
                 Laboratoire des Champs Magnétiques Intenses
     Centre National de la Recherche Scientifique Max Planck Institut Grenoble
                              et S. Reynaud, J. P. Franc
                  Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels Grenoble

 Le Laboratoire des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble a pour vocation de mettre à disposition de la communauté technologique et scientifique internationale des aimants à haut champ atteignant 30 Tesla pour une puissance électrique dissipée de 20 MW. Le refroidissement est réalisé par convection forcée d'eau déminéralisée dans des mini-canaux de diamètre hydraulique inférieur au millimètre avec des vitesses de l'ordre de 25 m/s.
L'optimisation thermo-hydraulique des aimants à haut champ nécessite la connaissance précise des coefficients d'échange thermique.

L'objectif de la recherche menée en collaboration avec le Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels est (1) de développer et de mettre au point une instrumentation permettant la mesure directe du flux thermique et ainsi des coefficients de transfert, (2) de mesurer les coefficients d'échanges pour des mini-canaux de 1 mm à 250 lim et (3) d'évaluer la validité des corrélations classiques établies généralement pour des conduites de taille caractéristique bien supérieure.

Les études déjà menées sur le sujet ont révélé de grandes disparités entre les résultats expérimentaux et la théorie des transferts convectifs L'interprétation de ces écarts repose généralement sur les modifications des propriétés physiques du fluide dues àl'augmentation importante de sa température le long du canal [5], sur le phénomène de l'EDL (Electric Double Layer ) ou l'influence de la rugosité de paroi [4].

La présente étude est basée sur une série d'expérimentations menée sur une boucle hydrodynamique. La veine d'essai  possède une section rectangulaire d'entrée et de sortie de 20 mm x 60 mm. Elle comporte une paroi inférieure plane et une paroi supérieure équipée d'un hublot interchangeable (figures 1 et 2). La forme convergente/divergente du hublot permet de réaliser un mini-canal plan de 60 mm de largeur et de 150 mm de longueur. Trois hublots permettent d'obtenir des canaux de 1 mm, 500 lim et 250 lim de hauteur. Le débit dans la section d'essai peut varier entre 0,03 1/s et 1,56 1/s, ce qui correspond à des vitesses de 0,5 m/s et 26 m/s pour le canal de l mm de hauteur.



La paroi plane inférieure est chauffée sur une longueur de 80 mm à l'aide de six cartouches chauffantes assurant un
flux maximal de l'ordre de 4,5 W/CM2 . Elles sont insérées dans un bloc en cuivre équipé, dans sa partie centrale,
d'un capteur HFM-7 E/L développé par Vatell Corp. qui fournit à la fois le flux thermique ço à travers la paroi et la
température de paroi Tp. Une sonde de platine mesure la température de l'eau TA en amont du mini-canal. Le
coefficient de transfert thermique h est alors calculé 

Cette étude a débuté en octobre 99. L'installation expérimentale est maintenant opérationnelle. Le capteur de flux
thermique et de température de paroi sera disponible très prochainement et une première campagne de mesures sera
réalisée dans les semaines à venir.

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Technique de caractérisation d'un mini-régénérateur thermique pour mini- refroidisseur stirling ou tube à gaz pulsé

F.PONCET* G P. NIKA** et D. BERFIZIAT

U.F.C. – I.G.E., Parc Technologique - 2, Av. Jean Moulin, 90000 Belfort, France

*A.F.M., 39/41, rue Louis Blanc, 92400 Courbevoie – 92038 Paris la Défense

**U.F.C. – I.M.F.C., 32, Av. de l’Observatoire, 25044 Besançon cedex, France

Adresse électronique : eponcet@univ-fcomte.fr



Résumé

Le recours aux modélisations de transfert de chaleur ou de masse dans les échangeurs compacts s’avère d’un grand
intérêt dés lors que l’on s’intéresse à la caractérisation des mini-refroidisseurs (stirling ou tube à gaz pulsé) à
régénérateurs [1, 2], utilisés, par exemple, pour le refroidissement des composants électroniques.

Le régénérateur perçu du point de vue hydrodynamique comme un milieu poreux, une sorte d’éponge thermique,
conditionne la production de froid par ses performances thermohydrauliques. La diversité des modèles théoriques et
des travaux expérimentaux consacrés à la compréhension des échanges de chaleur entre une matrice poreuse et un
fluide [3] démontre la grande complexité et le large spectre d’applications des phénomènes de transfert en milieux
poreux. En revanche, dés que l’on souhaite décrire les phénomènes se produisant dans des systèmes de petites tailles,
seules quelques études numériques actuelles [1, 2, 4] prennent en considération les effets de la miniaturisation des
régénérateurs, à savoir, l’influence des échanges entre les deux phases et la paroi du régénérateur, ainsi que des
pertes thermiques avec le milieu extérieur.

La présente étude a pour objet la mise au point d’une méthode de caractérisation thermique globale d’un
régénérateur cylindrique (tableau 1 et figure 1) à partir de la formulation d’un modèle analytique convectif prenant en
compte les pertes à travers la paroi du cylindre. Des résultats d’estimation des corrélations relatifs aux coefficients
d’échange (figure 2) du modèle obtenus à partir de données simulées bruitées sont présentés. Cette étude théorique
de faisabilité constitue la première étape vers la validation expérimentale de la méthode de caractérisation à partir de
mesures de températures réalisées par des sondes thermoélectriques et par thermographie infrarouge sur un
mini-régénérateur d’essai. La boucle d’essais en cours de montage est instrumentée en capteurs de température et de
pression afin de compléter l’étude par l’évaluation des performances hydrodynamiques du mini-régénérateur (perte
de charge).




Figure 2 : Résultats d’identification des corrélations des nombres de Nusselt relatifs aux
coefficients d’échanges fluide/matrice (Nu) et fluide/paroi interne du tube (Nui).



Références



[1] P.-H. Chen, Z.-C. Chang, Measurements of thermal performance of
cryocooler regenerators using an improved single-blow method, International
journal of heat and mass transfer, 40 (10) 2341-2349, 1997.

[2] Z.-C. Chang, M.S. Hung, P.P. Ding, P.-H. Chen, Experimental evaluation of thermal performance of
Gifford-McMahon regenerator using an improved single-blow model with radial conduction, International
journal of heat and mass transfer, 42 405-413, 1999.

[3] Kaviany, Convection in porous media, Springer-Verlag, New York, 1995.

[4] R.A. Ackermann, Cryogenic regenerative heat exchangers, The international cryogenics monograph
series, ISBN 0-306-45449-1, Plenum Press, New York, 1997.

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La micro turbine: l’exemple du M.I.T. 
Y. RIBAUD, ingénieur chargé de mission Prospective, 
ONERA DEFA.
Le concept de micro turbine a été lancé il y a quelques années par le MIT. Les ingénieurs de l’Armement
MM Groshenry puis Estève sont allés faire un stage d’un an dans l’équipe du Professeur Epstein du Gas Turbine
Laboratory au démarrage des travaux sur la micro turbine et à leur retour nous ont sensibilisé sur ce sujet.
Le concept porte sur la réalisation de micro turbines à gaz en céramique réfractaire, de 1 cm de diamètre.
Les contraintes de fabrication à de si petites tailles conduisent à des formes extrudées en 2D. Les contraintes
physiques trouvent leur origine dans les effets de viscosité (pertes aérodynamiques qui s’accroissent aux bas
Reynolds), les échelles de temps sont plus courtes. En revanche les propriétés des matériaux sont meilleures. Il ne
s’agit pas d’une simple transposition par rapport aux turbomachines classiques mais de méthodes de conception
différentes . Des concepts différents mieux adaptés à ces petites échelles seront aussi évoqués.
Ce projet se caractérise par sa spécificité multidisciplinaire et regroupe les efforts des meilleurs spécialistes. Ils
sont plus de 30 au MIT venant des domaines : matériaux et fabrication, conception, combustion, mécanique des
fluides des turbomachines, dynamique des rotors et de paliers à gaz, générateur/starter. Les financements
proviennent de plusieurs sources différentes et garantissent environ 10MF/an.
Les applications potentielles couvrent :
- la propulsion des micro drones

- la génération de puissance électrique pour matériels portables ( 10 à 100 watts par micro turbine ), en
remplacement des piles au Lithium (diminution du poids par un facteur 15 environ )

- la motorisation de satellites en orbite

- la génération de puissance répartie comme l’aspiration des couches limites sur les ailes d’avion

- la génération de puissance modulable sur une grille, les micro réacteurs sont commandés en tout ou rien, évitant
le problème de fonctionnement hors adaptation…

L‘ objet de la présente présentation est d’éclairer le projet afin de préciser l’état d’avancement probable et le
niveau des sauts technologiques abordés. L’accent sera mis en premier sur l’aspect énergétique et tout
particulièrement sur l’aérodynamique interne où l’effet Reynolds et la géométrie 2D imposent des types de
fonctionnement tout à fait nouveaux. Les points suivants seront aussi abordés : matériaux, résistance des
matériaux, micro fabrication, paliers fluides à haute vitesse, intégration.