Heat pipe ou la colonne d'eau chaude

Un heat pipe est la simulation d'un réservoir vertical fermé diphasique. Il est très favorable au transfert de chaleur.

L'intérêt de ce test se retrouve dans sa simplicité (domaine 1D) et parce que son comportement est bien connu. En plus de sa simplicité, ce système est intéressant, car il est rencontré dans des systèmes géothermaux naturels ou par des réalisations humaines. Nous montrons que nos résultats correspondent à ceux attendus, notamment un flux total de matière constant.

Description

Un heat pipe est la simulation d'un réservoir vertical fermé diphasique. Il est très favorable au transfert de chaleur. Ce système possède deux états stables : un état où le liquide est prédominant et un autre où le gaz est prédominant dans le réservoir. L'eau (au contact d'une source magmatique) à la base se vaporise et se dirige vers le haut, à la surface au contact de roche froide elle se condense et redescend.

Dans la suite nous simulerons un réservoir de 2 km de haut dont les parois verticales sont isolées. Il n'y a donc n'y flux de matière ni flux d'énergie et ni échange de chaleur sur ces parois. Les parois horizontales (haut et bas) seront maintenues à des conditions thermodynamiques constantes. Le réservoir est discrétisé par 200 volumes de 10 m. Les propriétés physiques du domaine sont uniformes et identiques pour tous les tests.

Quelques résultats sur les heat pipes

Dans la suite nous effectuerons 4 tests à des enthalpies différentes : 1000, 1500, 2000 et 3000 kJ/kg. Le système est initialisé avec une pression linéaire telle que la pression à la base est de 220 bar et 1 bar au sommet; et par une enthalpie constante.

Sous de telles conditions, le système converge vers une solution stable où le flux de matière est constant dans le domaine comme le montrent les figures ci-dessous.

Dans chacune des simulations, l'état initial impose un flux non constant puis en convergeant vers l'état d'équilibre nous obtenons un flux total constant (voir figure ci-dessous).