Solidification de milieux désordonnés

Solidification of disordered media

• Auteur / Autrice : Krishan Bumma
• Direction : Thomas Seon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert
• Jury : Président / Présidente : Alain Pocheau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Seon, Isabelle Cantat, Juliette Pierre, Philippe Claudin, Axel Huerre, Cécille Monteux, Benjamin Dollet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Isabelle Cantat, Philippe Claudin

Mots clés

Mots clés libres

Solidification

Gèle

Mousse

Poreux

Fluide

Changement de phase

Solidification

Freezing

Foam

Porous

Fluid

Phase change

Résumé

Des changements de phase dans des milieux hétérogènes ont lieu dans un grand nombre de domaines, allant d'applications industrielles (stockage d'énergie, isolation...) à l'étude de phénomènes naturels (déplacement de sols, formation de glaciers, banquise…).  Dans cette thèse, nous étudions la solidification de deux milieux désordonnés particuliers :  une mousse d'eau savonneuse et un milieu granulaire imbibé d'une solution de fluorescéine. Ces deux milieux, tous deux composés d'une phase liquide continue, diffèrent grandement par la nature solide ou gazeuse du matériau incorporé dans la matrice liquide; il en découle des comportements très différents. Dans un premier temps, nous étudions la solidification d'une mousse de savon au contact d'un substrat froid. Celle-ci gèle avec une dynamique d'abord purement diffusive que nous arrivons à décrire avec un modèle. Au bout d'un certain temps, on observe la mise en place d'écoulements de liquide vers le front de solidification, causant un fort ralentissement de la dynamique de solidification. La mousse gelée ainsi formée a une densité non uniforme que nous arrivons à mesurer expérimentalement. Parallèlement aux écoulements de liquide, des bulles cassent au niveau du front de solidification, entrainant un écoulement de gaz vers la mousse gelée. Nous montrons que les écoulements de liquide comme de gaz ont une dépendance en température, probablement causée par la contraction thermique du gaz contenu dans les bulles. Dans un second temps, nous étudions expérimentalement la solidification d'un milieu granulaire formé de particules de plusieurs dizaines de micromètres de diamètre, imbibé d'une solution de fluorescéine. Nous mettons en évidence un phénomène de ségrégation spatiale de la fluorescéine incorporée dans la zone gelée. Cela entraine la formation de canaux d'eau concentrée en fluorescéine proches de zones en étant presque entièrement dépourvues, orientés selon la direction de formation de la glace. Cette ségrégation a lieu après le passage du front de solidification et est due à des écoulements dans un milieu poreux partiellement gelé. L'observation de ces canaux dépend de la concentration initiale en fluorescéine et de la taille des particules. 

Phase changes in heterogeneous media occur in a wide range of fields, from industrial applications (energy storage, insulation...) to the study of natural phenomena (soil movement, glacier formation, sea ice...). In this thesis, we study the solidification of two specific disordered media: a soap water foam and a granular medium soaked in a fluorescein solution. These two media, both composed of a continuous liquid phase, differ greatly in the solid or gaseous nature of the material incorporated into the liquid matrix, resulting in very different behaviors. First, we study the solidification of a soap foam in contact with a cold substrate. This foam initially freezes with a purely diffusive dynamic, which we manage to describe with a model. After a certain period, we observe the onset of liquid flows toward the solidification front, causing a significant slowdown in the solidification dynamics. The frozen foam thus formed has a non-uniform density that we can measure experimentally. Alongside the liquid flows, bubbles break at the solidification front, leading to gas flow into the frozen foam. We show that both liquid and gas flows have a temperature dependence, probably caused by the thermal contraction of the gas contained in the bubbles. Secondly, we experimentally study the solidification of a granular medium composed of particles several tens of micrometers in diameter, soaked in a fluorescein solution. We highlight a spatial segregation phenomenon of the fluorescein incorporated into the frozen zone. This leads to the formation of concentrated fluorescein water channels near almost completely deprived areas, oriented according to the direction of ice formation. This segregation occurs after the solidification front passes and is due to flows in a partially frozen porous medium. The observation of these channels depends on the initial fluorescein concentration and the particle size.