Séminaire de Antoine Monier: Solidification et transferts de chaleur dans un écoulement capillaire

Solidification et transferts de chaleur dans un écoulement capillaire

Antoine Monier, Institut Jean Le Rond d'Alembert, Sorbonne Université, Paris

La compréhension du couplage entre un écoulement capillaire (impact de gouttes, ruissellement d’eau…) et sa solidification est aujourd’hui un enjeu majeur dans de nombreux domaines notamment lors de la formation de cascades de glace ou de stalactites dans la nature. L’originalité dans l’étude et la modélisation physique de ces phénomènes réside dans le fort couplage entre le front de solidification et la surface libre de ces écoulements ce qui engendre de singulières géométries de glace.

Afin de mieux appréhender ces systèmes nous étudions expérimentalement la solidification d’un ruisselet d’eau, une petite rivière millimétrique, au contact d’un substrat incliné refroidi en dessous de 0˚C. Le ruisselet dévale le substrat incliné refroidi et se solidifie à son contact. Nous pouvons alors étudier la dynamique de propagation du front de glace, orthogonale au substrat froid, en la comparant au cas de croissance de glace sans écoulement. Après une à plusieurs minutes, la croissance de la glace s’arrête laissant place à un régime stationnaire où l’eau s’écoule sur sa glace précédemment formée sans se solidifier davantage. À l’état stationnaire, la structure de la glace est, de manière remarquable, linéaire avec la position le long du plan. Grâce à des arguments de transfert de chaleur nous retrouvons théoriquement la géométrie linéaire de la glace à l’état stationnaire. Finalement, la réalisation de mesures de champs de températures dans l’eau en caméra thermique permettent de confirmer nos prédictions théoriques.