Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

« Sciences pour l'ingénieur » : spécialité « Mécanique et Physique des Fluides »

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Gaz raréfie,Milieux poreux,Micro fluidique,Nombre de Knudsen,Transpiration thermique,Perméabilité,

Keywords

Rarefied gas,Porous media,Microfluidics,Knudsen number,Thermal transpiration,Permeability,

Titre de thèse

Gas transport in porous media: An investigation of the hydrodynamic to free molecular flow regime
Transport de gaz dans un milieu poreux : Etude des régimes d'écoulement de hydrodynamique au moléculaire libre.

Date

Mardi 16 Juillet 2019 à 14:00

Adresse

IUSTI-CNRS 7343, Technopôle de Château-Gombert, 5 rue Enrico Fermi, 13013 Marseille amphithéâtre

Jury

Directeur de these Mme Irina GRAUR Aix-Marseille Université, IUSTI-CNRS 7343
Examinateur M. Gerard VIGNOLES Université de Bordeaux, LCTS - Lab for ThermoStructural Composites
CoDirecteur de these M. Perrier PIERRE Aix-Marseille Université / IUSTI-CNRS 7343
Examinateur M. Martin WüEST INFICON AG
Rapporteur M. Gian Luca MORINI University of Bologna, Department of Industrial Engineering
Rapporteur Mme Alina ALEXEENKO Purdue University School of Aeronautics and Astronautics

Résumé de la thèse

La thèse étudie le transport de gaz raréfié dans un milieu poreux causé par un gradient de pression, de température ou de concentration. Un gaz dans un milieu poreux se raréfie lorsque l’échelle est petite, comme dans le cas des milieux micro et nanoporeux, ou lorsque la pression est basse (conditions de vide). Les méthodologies de mesure pour les gradients respectifs sont développées et les résultats sont analysés. Pour l’écoulement de gaz entraîné par un gradient de pression, la perméabilité et la conductance, sont des propriétés intrinsèques et mesurent la facilité avec laquelle le gaz s'écoule à travers le milieu poreux. Le comportement du flux gazeux diffère considérablement en fonction du degré de raréfaction. Pour caractériser le niveau de raréfaction de l’écoulement de gaz à l'intérieur d'un milieu poreux, une propriété intrinsèque supplémentaire est proposée, la dimension caractéristique de l’écoulement. Cette propriété a également une interprétation physique et sa mesure pour un échantillon poreux peut être utilisée pour caractériser l'échantillon en tant que méthode d'analyse non destructive. Lorsque le support poreux est soumis à un gradient de température dans des conditions de raréfaction, l'effet de transpiration thermique provoque un écoulement de gaz du côté froid vers l'extrémité chaude. Les propriétés transitoires et stationnaires de la transpiration thermique dans les milieux poreux sont analysées. Les méthodologies développées sont appliquées pour analyser les membranes céramiques microporeuses et les milieux poreux en acier inoxydable fritté. Le dernier type de support poreux convient particulièrement à l'étalonnage des jauges à vide poussé. La méthode d'étalonnage présentée est facile à utiliser, fiable et précise.

Thesis resume

The thesis investigates the transport of rarefied gas in porous media caused by either pressure, temperature or concentration gradient. A gas in porous media becomes rarefied when either the scale is small, as for micro and nanoporous media, or when the pressure is low (vacuum conditions). The measurement methodologies for the respective gradients is developed, and the results are analyzed. For a pressure gradient driven gas flow the permeability and conductance, are intrinsic properties and measure of how easily gas flow through the porous media. The gas flow behavior differs significantly depending on the degree of rarefaction. To characterize the rarefaction level of the gas flow inside a porous medium an additional intrinsic property is proposed, the characteristic flow dimension. This property also has a physical interpretation, and its measure for a porous sample can be used to characterize the sample as a non-destructive analysis method. When the porous media is subject to a temperature gradient under rarefied conditions, the thermal transpiration effect, causes gas flows from the cold side toward the hot end. Both the transient and stationary properties of the thermal transpiration in porous media are analyzed. The developed methodologies are applied to analyze the microporous ceramic membranes and sintered stainless steel porous media. The last type of porous media is particularly suitable for high-vacuum gauge calibration. The presented calibration method is easy to use, reliable and accurate.