Physique de la croissance cristalline pour les métamorphoses de neige sèche : caractérisation et modélisation des effets cinétiques

Crystal growth physics in dry snow metamorphism : characterisation and modeling of kinetic effects

• Auteur / Autrice : Rémi Granger
• Direction : Christian Geindreau, Frédéric Flin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Luc Salvo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wolfgang Ludwig
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ian Baker, Etsuro Yokoyama

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie

Croissance cristalline

Neige -- Propriétés mécaniques

Mots clés libres

Neige

Croissance cristalline

Coefficient cinétique

Orientation cristalline

Champ de phase

Tomographie

Snow

Crystal growth

Kinetic coefficient

Cristalline orientation

Champ de phase

Tomographie

Résumé

L'objectif principal de la thèse est d'améliorer la compréhension des phénomènes de facettage observables lors des métamorphoses de la neige sèche.La thèse se concentre sur les couplages entre la cinétique de croissance cristalline et la diffusion de la vapeur et de la chaleur. Pour la première fois, la tomographie par contraste de diffraction (DCT) a été utilisée pour suivre l'évolution d'un échantillon de neige sous gradient de température contrôlé.La technique permet de mesurer l'orientation cristalline des grains constituant la microstructure de l'échantillon.Les relations entre l'orientation cristalline et les échanges de matière ont étés analysés. L'étude montre que les différences de cinétique entre les faces basales et prismatiques des cristaux de glace influencent les flux de matière à l'interface air/glace.Sur le plan de la simulation numérique, une forte anisotropie du coefficient cinétique a été prise en compte dans l'évolution de l'interface air/glace. Le modèle développé utilise la méthode du champ de phase et couple le changement de phase à la diffusion de la vapeur et de la chaleur.Le modèle a été comparé d'une part à une expérience de migration d'une cavité d'air dans un monocristal de glace sous gradient de température, observée par microtomographie à rayons X et d'autre part, à la croissance d'un cristal négatif de glace lors d'une expérience de pompage suivie par microscopie optique. L'anisotropie prise en compte permet de reproduire le facettage observé. Enfin, le potentiel du modèle numérique proposé pour décrire les métamorphoses de la neige est mis en évidence.

The main objective of the thesis is to improve our understanding of faceting occuring in dry snow metamorphism. The thesis focuses on the interplay between heat and mass diffusion and kinetic effects in the context of snow. For the first time,Diffraction Contrast Tomography (DCT) has been performed to monitor an experiment of temperature gradient metamorphism. The technique permits to retrieve the crystalline orientation of the grains constituting the microstructcure of the sample. Links between orientation of crystals and mass fluxres were analysed.The study shows that kinetic differences between basal and prismatic faces have effects on phase change fluxes at the ice/air interface.From a numerical modeling point of view, a highly anisotropic kinetic coefficient has been taken into account for the evolution of the ice/air interface. The model uses the phase-field approach and couples phase changes to heat and water vapor diffusion.The model was tested against an experiment of air cavity migration under temperature gradient in a monocrystalline ice block monitored with X-ray microtomography in one hand, and with the growth of a negative crystal during a pumping experiment followed with optical microscopy in the other hand.Such anisotropy permits to reproduce faceting as observed.Finally, the potential of the porposed model to describe snow metamorphism is highlighted.