Analyse expérimentale et simulation numérique d’écoulements raréfiés de gaz simples et de mélanges gazeux dans les microcanaux

摘要

Ce travail porte sur l’étude analytique, numérique et expérimentale d’écoulementsudgazeux au sein de microcanaux dans des régimes de raréfaction modérée pour lesquelsudl’hypothèse d’équilibre thermodynamique local est mise en défaut. Un banc d’essai spécifique audété développé pour la mesure des microdébits gazeux, dans des conditions de température et deudpression contrôlées. Les mesures de débit de gaz simples (Ar et He) et de leurs mélanges à traversuddes microcanaux de section rectangulaire sont confrontées à des modèles continus associés à desudconditions aux limites de glissement d’ordre 2 pour le régime d’écoulement glissant et à desudmodèles cinétiques basés sur l’équation de Boltzmann linéarisée pour le régime de transition,udavec un terme de collision modélisé par un modèle BGK pour les gaz purs et un modèle deudMcCormack pour les mélanges. Les limites de l’approche continue sont mises en évidence pouruddes nombres de Knudsen moyens supérieurs à 0,1. En revanche, les modèles cinétiques sont enudtrès bon accord avec l’expérience sur les gaz simples pour toute la plage considérée, en supposantudune accommodation parfaite à la paroi. Pour les mélanges de gaz dans les régimes les plusudraréfiés, des écarts commencent à apparaître, pour lesquels des conclusions définitivesudnécessiteront des études complémentaires. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- This thesis focuses on analytical, numerical and experimental investigations onudmoderate rarefied gas flows through microchannels, for which the local equilibrium assumption isudno longer valid. A specific experimental setup has been developed for measuring gas microflowratesudunder controlled temperature and pressure conditions. The experimental flowrate dataudof monatomic gases (Ar and He) and their mixtures through rectangular microchannels areudcompared in the slip flow regime with data from continuum models associated with second-orderudboundary conditions, and in the transition regime with data from the linearized Boltzmannudequation. The collision term of the Boltzmann equation is given by the BGK model forudmonatomic gases and by the McCormack model for gas mixtures. It is clearly pointed out that theudvalidity of the continuum approach is limited to average Knudsen numbers less than 0.1. On theudother hand, the kinetic models show an excellent agreement with the experimental data forudmonatomic gases in the whole considered Knudsen range, assuming diffuse reflection at the wall.udHowever, for the mixtures in higher rarefied regimes, deviations occur; further investigations willudbe required for more definitive conclusions.