Solidification d'écoulements capillaires : ruisselets et gouttes d'eau

Solidification of water capillary flows : rivulets and drops

• Auteur / Autrice : Antoine Monier
• Direction : Thomas Séon, Christophe Josserand, Axel Huerre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 16/03/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Fermigier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Laure Biance, Laurent Limat, Noushine Shahidzadeh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Restagno, Benoît Scheid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mouillage (chimie des surfaces)

Solidification

Écoulements thermocapillaires

Mots clés libres

Solidification

Capillarité

Hydrodynamique

Transferts thermiques

Mouillage

Ruisselet

Solidification

Capillarity

Hydrodynamic

Heat transfer

Wetting

Rivulet

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions l'interaction entre l'écoulement d'une rivière capillaire, le ruisselet, et sa solidification au contact d'un substrat métallique incliné refroidi. Nous étudions d'abord les propriétés du ruisselet sur substrat non refroidi. Nous montrons l'existence d'un régime transitoire dans lequel une goutte principale dévale le substrat, laissant derrière elle un film liquide se rétracter vers une largeur d'équilibre que nous comparons avec les modèles théoriques. Ensuite, le substrat est refroidi en deçà de zéro degré. À son contact, l’étalement du ruisselet est modifié par la solidification en laissant derrière lui une trace de glace résultat du piégeage de la ligne de contact. Après le passage du ruisselet, l'eau, continuant de s'écouler, se rétracte sur la glace, témoignant l'imparfaite affinité des deux milieux. En quelques secondes, la largeur d'eau atteint une valeur fixe. La glace continue de croître, orthogonalement au substrat, et sa vitesse est dictée par l’égalité des flux de chaleur à travers l'eau et la glace. D'abord diffusive, la croissance de glace ralentit au cours du temps et converge, après plusieurs minutes, vers une épaisseur de glace fixée, signature d'un état stationnaire dans lequel l'eau s’écoule sans se solidifier. En accord avec nos prédictions théoriques tenant compte des transferts thermiques dans l'eau, la géométrie de la glace est linéaire selon l'abscisse du plan. Dans une partie connexe, nous étudions l'étalement d'une goutte d'eau au contact d'un substrat métallique refroidi. Nous montrons que l'arrêt de la ligne de contact est déterminé par la vitesse de croissance des cristaux de glace au contact du substrat.

In this thesis, we study the interaction between a capillary river, the rivulet, and its solidification in contact with a cold inclined metallic substrate. We first study the rivulet properties without substrate cooling. We show the presence of an unsteady dynamics where a main droplet slides down the plane leaving behind a flat film that retracts towards a water width, that we measure and compare to theoritical models. Secondly, we cool the substrate to subzero temperatures. In contact with the cold source, the rivulet instantly freezes, getting its spreading affected. Running down the plane, the rivulet leaves behind an ice footprint, whose width depends on the pinning of the advancing contact line. After that, water, which is still flowing, retracts on its own ice, highlighting the incomplete wetting of water on ice. After a few seconds, the water width ultimately reaches a fixed value. Perpendicular to the substrate, the ice continues on growing according to a Stefan problem, where the heat flux difference accross the ice-water interface sets the ice velocity. The ice growth is first very fast and diffusive. Then ice growth slows down and becomes negligible. After a few minutes, the ice thickness reaches an stationnary shape, where water continues to flow on top of the ice previously formed, wihtout solidifying. The ice geometry is then linear with plane position, an observation we are able to confirm with our heat transfert model in the water. Finally, a related part of this thesis deals with the spreading of a water drop on a cold surface. In this study, we show that the contact line motion is arrested by growing ice crystal at the vinicity of the cold substrate.