Etude expérimentale de la solidification d’une goutte d'eau

Experimental study of a water drop's solidification

• Auteur / Autrice : Emeryk Ablonet
• Direction : Dominique Legendre, Julien Sebilleau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 24/02/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Limat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Legendre, Julien Sebilleau, Philippe Tordjeman, Thomas Séon, Claire Laurent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Josserand, Philippe Brunet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation prédictive

Prévision

Verglas

Mots clés libres

Solidification

Problème de Stefan

Humidité

Mouillage

Solidification

Stefan's like problem

Humidity

Wetting

Résumé

La compréhension et la prévision des phénomènes de givrage sont un enjeu majeur de l’industrie. En cas de conditions givrantes favorables, avant d’avoir l’autorisation de décoller les avions doivent passer par une étape de dégivrage. Ce dégivrage se fait par pulvérisation d’un liquide contenant du glycol. Cette obligation entraîne un cout financier pour les compagnies aériennes, des délais pour les passagers et un impact environnemental. C’est pourquoi l’industrie aéronautique innove dans la création de nouvelles surfaces (peinture, micro-structuration de surface) et aussi dans l’utilisation de nouvelles techniques de dégivrage. Cette thèse s’inscrit dans le programme ANR ICEWET (projet national dont cinq partenaires font partis, quatre laboratoires de recherche ITODYS, MSC, LMFA et IMFT et un industriel AIR- BUS innovation). Ce projet vise a mieux comprendre les problématiques de givrage au sol en tenant compte des conditions environnementales et des conditions de mouillage. L’originalité de ce projet est de s’intéresser au givrage au travers de la problématique de la surface. Ainsi les différents partenaires s’intéressent a l’étude de nouvelles techniques de dégivrage (ondes acoustiques de surface), au développement de nouvelles surfaces et a la caractérisation du rôle de la ligne de contact et de l’environnement sur le givrage. En particulier a l’IMFT on cherche a améliorer la compréhension du givrage sur des systèmes réalistes a l’aide d’études numériques et expérimentales. Ces études couplées visent a améliorer la modélisation et donc la prédiction du givrage. Cette thèse expérimentale a pour but de faire une étude paramétrique des phénomènes influents sur le givrage. L’étude paramétrique permet de déterminer l’importance sur le givrage de divers paramètres physique tels que la température de l’environnement, la surface de contact, le rôle de l’humidité de l’air ou encore les conditions de mouillage. Les expériences sont menées dans une enceinte climatique permettant de réguler la température et l’humidité a pression ambiante. Le principe est alors d’observer le givrage au travers d’une goutte d’eau d’une dizaine de microlitres posée sur un substrat dont on peut contrôler la température. Différents substrats modèles sont utilises afin de faire varier les conditions de mouillage, ainsi que des surfaces aéronautiques réelles avec la possibilité d’incliner le substrat. L’observation se fait a l’aide d’une camera ce qui permet de quantifier la cinétique du givrage. Les différents facteurs pouvant influencer le givrage d’une goutte sont alors isoles un a un pour déterminer leurs importances. On montrera ainsi que la solidification est un phénomène relative- ment reproductible qui dépend de l’humidité relative de l’air. En fin de solidification une pointe se forme. On montrera que plus l’humidité relative est importante plus l’angle de la pointe est important. On proposera également un modèle 2D de dilatation afin de mieux prédire la forme de la goutte au cours de la solidification. On montrera que solidification de petites gouttes sur un substrat incline n’est que peu influencée par l’inclinaison. On retrouvera des cinétiques comparables dans les cas inclines et horizon- taux. De même l’angle forme par la pointe est comparable dans ces deux situations. On fera aussi les mêmes observations pour des gouttes non axisymétriques et formant une ligne de contact complexe avec le substrat.

The knowledge of freezing and its prediction are a major industrial challenge. In atmospheric freezing conditions, planes have to be de-iced before take-off. De-icing consists on applying a fluid containing glycol on all the plane. This mandatory step leads to delay for passengers, financial cost for airlines and have an environmental impact. That is why aeronautical industry invests and innovates in new surfaces (such as painting, or surface micro-structuration) and in de-icing techniques. This thesis makes part of the ICEWET ANR program (five partners are in this project, four are French laboratories ITODYS, MSC, LMFA and IMFT and one is an industrial AIRBUS innovation). The aim of this project is to better understanding ground freezing and the influence of wetting properties and of the ambient on it. The originality of this project is to treat the freezing through the surface condition. So, the different partners study surface method to de-ice (acoustic surface waves), elaborate new ice-phobic surfaces and try to understand the importance of surface on freezing. Numerical studies coupled with experimental studies are performed at IMFT to understand and propose an improvement in icing knowledge for realistic icing condition. In this experimental thesis we mainly focus on a parametric study of parameters which could have an impact on the freezing. This study permits to determine which parameter is relevant on icing among ambient temperature, surface temperature, ambient humidity or wetting conditions. Experiments are made in a climatic chamber to regulate air temperature and humidity at atmospheric pressure. The objective is then to observe the icing through a water drop around ten microliters lying on a substrate at controlled temperature. Different substrates are used to change wetting condition as well as aeronautical surfaces with the possibility to inclined it. The image analysis thanks to cameras allows to quantify the icing dynamic. The study of the dynamic for each parameter lead us to provide the relevance of each one on freezing. So, we will show that the solidification is a relatively repeatable phenomenon which is strongly dependent on the air humidity. At the end of the solidification a tip is formed. We will have a look on the influence of humidity on the angle formed by this tip and explain why it increase with relative humidity. A 2D model for dilatation will also be presented to better predicted the final shape of the freezing drop. We will show that the substrate’s inclination has little or no effect on the solidification and tip formed. Kinetic are quite similar in both inclined and horizontal case. We will also perform experiments on non-symmetrical drops and which have a complex contact line with the substrate. Same observations will be done than for inclined solidification.