Heat Transfer at Nanoscales and Radiation – TNR

POST-DOCTORANTS

• Refet Ali YALCIN: refet.ali.yalcin@univ-poitiers.fr
• Ivan FORERO SANDOVAL: ivan.forero@univ-poitiers.fr

DOCTORANTS

• Suraju Olawale KASALI: suraju.olawale.kasali@univ-poitiers.fr
• Julien Sorel DJEUMEGNI: julien.sorel.djeumegni@univ-poitiers.fr
• Renato BARBOSA ESTEVES: renato.barbosa.esteves@univ-poitiers.fr
• Weifeng ZHANG: weifeng.zhang@univ-poitiers.fr

L’axe TNR étude les transferts thermiques aux échelles submicroniques et le rayonnement en milieu-semi transparent. Il tire sa cohésion :

• d’une approche globale du rayonnement thermique, allant du champ proche au champ lointain (c’est-à-dire des échelles infra- aux échelles supra-longueur d’onde, relevant des lois de l’électromagnétisme classique ou de l’optique géométrique,
• d’une représentation des transferts conductifs submicroniques par transport de phonons, suivant des lois de propagation analogues à celles du rayonnement (de photons) en milieux absorbants-émettants.

Sur la compréhension des mécanismes de transferts aux échelles ultra courtes ou en rayonnement infrarouge, les principaux enjeux visés sont:

• Les matériaux à propriétés radiatives sélectives et/ou dépendantes de la température, dans le but d’une part d’optimiser les procédés thermo photovoltaïques et de refroidissement raditif naturel et d’autre part de faire des rectificateurs (diodes)  et transistors thermiques
• La conception de matériaux à fort coefficient de mérite pour des applications en thermoélectricité (par diminution la conductivité thermique),
• Le développement d’une métrologie thermique non intrusive dans les composites (thermorefléctance pompe-sonde) et dans les milieux denses (tomographie),
• Le contrôle des ambiances en air humide à l’échelle de pièces d’habitation, en tenant de la participation radiative de la vapeur d’eau, et de son influence sur les mouvements convectifs.

Nanotransferts.

Ces études portent sur les transferts de chaleur à des échelles où les lois classiques de la thermique ne sont plus vérifiées. Les recherches de l’axe sur les nanotransferts portent ainsi sur la conduction thermique aux courtes échelles, le rayonnement thermique de champ proche ainsi que le rayonnement thermiques des corps opaques microstructurés.

Conduction aux nanoéchelles

Concernant la conduction thermique, l’axe a développé ces dernières années un banc de thermo réflectance pompe sonde. Ce banc utilise un laser délivrant des impulsions lasers femto-seconde permettant la  caractérisation de matériaux nanostructurés composites contenant des nanoparticules ou des films minces. Grâce à ce dispositif, il est possible d’étudier la relaxation thermique de tels matériaux et d’obtenir facilement la résistance de contact entre les différents constituants. Une thèse soutenue fin 2012 par Clémence Gingreau a permis de mettre en évidence l’influence de la forme de nanoparticules dans un composite et de la matrice dans laauelle elles sont incluses sur la relaxation thermique.

D’un point de vue théorique, nous avons adapté, à partir de l’équation de Boltzmann, une approche permettant de dériver les expressions des coefficients électrothermiques de façon alternative mais équivalente à celle formulée à partir de la théorie linéaire. Nous avons pu en déduire l’expression de la conductivité thermique en fonction de la fréquence de la source excitatrice pour un matériau semi-conducteur ainsi que son facteur de mérite thermoélectrique et de les comparer aux valeurs expérimentales. De plus, l’impact de nanoparticules dans un semi-conducteur a été étudié et a montré l’existence d’une taille critique de nanoparticule minimisant la conductivité thermique d’un composite.

Design/optimisation des propriétés radiatives de sources thermiques par micro/nano structuration

Le but de cette action est la conception et la caractérisation de sources thermiques émettant dans une bande spectrale et/ou dans une direction privilégiée. A l’origine, notre projet fut la conception de nouvelles sources de chaleur et de nouveaux dispositifs pour la conversion thermophotovoltaïque (TPV). Ce type de conversion est analogue à la conversion photovoltaïque, mais ici la source – qui est habituellement le soleil – est remplacée par une source thermique chauffée (source au plutonium pour des applications spatiales, par exemple). Sur ce sujet, l’équipe a obtenu en juin 2010 en tant que coordonnateur une ANR Blanche pour un montant de 680 k€. De nouvelles applications ont été étudiées récemment, notamment la possibilité de refroidir des matériaux de manière passive (passive radiative cooling). Une thèse, financée par le programme labex « Interactifs » a été soutenue sur ce sujet en décembre 2017 et un financement ANR JCJC a été obtenu par Jérémie DREVILLON en juillet 2017.

La conversion thermophotovoltaïque (TPV) consiste à convertir l’énergie thermique d’un matériau chauffé en électricité. Le principe est identique à celui de la conversion photovoltaïque classique, la source de chaleur n’étant plus le soleil et le semi-conducteur qui permet la conversion de l’énergie photonique en électricité a un gap plus élevé en longueur d’onde. Le rendement actuel des systèmes TPV est assez faible et l’une des solutions pour l’augmenter est d’utiliser un émetteur thermique radiatif sélectif en longueur d’onde, afin d’émettre un rayonnement thermique au plus proche du gap de conversion de la cellule photovoltaïque. L’utilisation d’empilement de couches de matériaux différents et/ou la gravure de réseaux de surface permet théoriquement l’obtention de tels spectres d’émission thermique.

Application au refroidissement radiatif naturel :

L’atmosphère de la terre a une fenêtre de transparence pour les ondes électromagnétiques comprises entre 8 et 13 μm. Cette fenêtre de transparence correspond au spectre d’émission de corps à température ambiante. En utilisant cette correspondance, un corps peut ainsi être refroidi naturellement, tout simplement car sa chaleur est rayonnée dans l’espace. On parle alors de refroidissement radiatif naturel. Ce mécanisme est très intéressant dans le contexte actuel d’amélioration de l’efficacité énergétique et de diminution des dépenses énergétiques. Ce refroidissement radiatif peut, par exemple, être utilisé comme substitut à la climatisation électrique ou pour limiter la surchauffe des cellules photovoltaïques. Pour obtenir un pouvoir de refroidissement important, il est nécessaire d’optiiser les propriétés d’émission thermique des corps que l’on souhaite refroidir et cela est notamment possible en utilisant des matériaux nano et/ou microstructurés.

Rayonnement de champ proche

Le but des ces recherches est l’étude des transferts radiatifs lorsque les distances mises en jeu sont inférieures à la longueur d’onde. Sur le plan théorique, des résultats fondamentaux importants ont pu être établis comme le transfert thermique maximal entre deux espaces plan-parallèle semi-infinis. Le transfert optimal entre des milieux ordinaires modélisables par un modèle de Drude a aussi été étudié. Les expressions du transfert radiatif en champ proche dans cette même configuration ont été étendues au cas des matériaux magnétiques. De plus, nous avons étendu la théorie du transfert radiatif en champ proche au cas d’un système de N particules dipolaires. En lien avec les expériences, une théorie de la diffusion du rayonnement de champ proche par une pointe de microscope dipolaire a été établie. Cette théorie a permis d’expliquer parfaitement les premiers spectres d’émission thermique en champ proche obtenus par cette technique à l’institut Langevin.

Nos travaux en cours en champ proche concernent les effets des comportements non locaux des matériaux sur les transferts. Dans le cas de deux corps à différentes températures déparées par une distance d, nous étudions dans le cadre d’une thèse comment s’effectue la transition entre un régime dominé par les transferts radiatifs et un régime dominé par les transferts conductifs lorsque les corps sont en contact.  Enfin, nous pensons faire l’étude thermique complète du problème du chauffage de nanoparticules dans un composite en tenant compte des effets de champs proches entre nanoparticules et de la conduction dans le milieu hôte du composite.

Modélisation des transferts radiatifs couplés.

La modélisation des problèmes de transferts en géométries complexes par une méthode de type « meshless » est une des activités importantes de l’axe. Cette approche est particulièrement adaptée à la prise en compte de maillages de forme et distribution arbitraires et ouvre de bonnes perspectives pour la prise en compte du rayonnement (volumique) dans des domaines à frontières mobiles.

Optimisations et nouveaux développement.

Nous envisageons à présent d’étendre la méthode à l’étude des transferts couplés faisant intervenir le rayonnement, la conduction et la convection. Les premiers résultats déjà obtenus en rayonnement pur dans des géométries 2D et 3D sont encourageants. La technique, actuellement fondée sur la méthode des ordonnées discrètes formulée au second ordre (méthode des flux pairs), doit cependant être encore améliorée et optimisée, notamment par des comparaisons avec les solutions semi-analytiques que l’on peut établir pour certains types de géométries non triviales (espaces annulaires, inter-sphériques par exemple). Par ailleurs, nous envisageons de mettre en œuvre la méthode dans :

·          des géométries complexes issues par exemple des reconstructions de volumes par tomographie ou par reconstruction stochastique

·          des géométries à frontières mobiles.

L’association de cette méthode avec des approches de type semi-analytiques est également envisagée dans certaines situations par une partition judicieuse des domaines d’étude. Enfin, un travail particulier portera sur les techniques de couplage de codes de façon à optimiser les échanges entre programmes pour résoudre des problèmes d’interaction turbulence rayonnement), par exemple (CFD DNS – rayonnement de gaz), et aller vers des approches résolument multi physiques impliquant des transferts radiatifs volumiques.

Convection naturelle en fluide semi-transparent

Les études portent sur la convection naturelle en fluide émettant – absorbant avec des applications ciblées dans le domaine de l’habitat et de l’énergie (stockage d’hydrocarbures). Elles concernent, pour l’instant, des mélanges air – CO₂ – H₂O avec une modélisation réaliste des propriétés spectrales d’absorption des gaz (modèles SLW de Denison et Webb). Une version optimisée et très compacte de ce modèle est en cours de développement en collaboration avec l’équipe du Prof. Webb. Cette approche économique (1 gaz clair + 1 seul gaz gris convenablement choisi) sera particulièrement intéressante dans le cas transferts couplés.

Elle ouvre des perspectives dans la recherche du modèle radiatif « minimal » utilisable en convection naturelle turbulente dans des grands ensembles contenant de l’air humide (rôle non négligeable de l’absorption par H₂O). Cette action sera en partie menée dans le cadre du programme COCORACOPHA du PIE Energie et fait l’objet d’une collaboration avec l’axe COST.

Une autre étude concerne la convection de double diffusion en milieux gazeux binaires (air – CO₂ ou air – H₂O) en régime instationnaire. Elle aura pour but de mettre en évidence les effets du rayonnement sur la stabilité de l’écoulement dans des configurations tridimensionnelles, notamment en cas opposant (lorsque les gradients de température et concentration induisent des forces de poussées opposées).

Transfert radiatif en milieu dense optiquement complexe

Des modèles mathématiques spécifiques sont développés pour traiter l’équation de transfert radiatif dans les milieux curvilignes et/ou à indice de réfraction variable. Plusieurs travaux pionniers dans ce domaine ont été publiés par les membres de cet axe, mais demandent encore à être approfondis, notamment au niveau de l’écriture correcte de l’équation de transfert radiatif dans des matériaux à indice variable, et de la définition rigoureuse du flux radiatif dans un tel milieu.

Une attention particulière est aussi portée à la description des échanges radiatifs au sein de milieux optiquement anisotropes, notamment les cristaux biréfringents uniaxes. Une analogie forte a pu être établie avec certains aspects du rayonnement relativiste permettant ainsi, au moyen de différentes transformations mathématiques (utilisation de la métrique de Gordon, transformation de Lorentz), de définir un milieu isotrope mobile équivalent, mais la formulation adéquate de l’équation de transfert radiatif, la définition du flux radiatif et surtout de la source radiative dans un milieu uniaxe, sont des problèmes difficiles qui demandent à être développés rigoureusement, en tenant compte de l’indice de réfraction, mais aussi de celui du coefficient d’absorption qui sont à définir proprement.

Parallèlement, afin d’appréhender dans sa globalité les échanges radiatifs entre un milieu uniaxe et son environnement extérieur, il est nécessaire de confirmer l’expression des facteurs de réflexion/transmission à une interface à partir d’un modèle balistique indépendant d’une approche électromagnétique, pour rester compatible avec une formulation en temps stationnaire du principe de Fermat généralisé, impliquant une non conservation de la composante parallèle du vecteur d’onde à l’interface. Enfin, des méthodes d’inversion de grandeurs radiatives sont étudiées pour permettre le diagnostic thermique non intrusif d’objets semi-transparents, d’indice de réfraction supérieur à celui de l’air ambiant (barreau de verre, par exemple). Une évolution importante de cette thématique consistera à réaliser des expérimentations, notamment en tomographie thermique dans des milieux à changement d’indice.