Numerical and experimental studies on freezing and melting of sessile water droplets

Études numériques et expérimentales sur la congélation et la fonte de gouttelettes d'eau sessiles Le givrage et le dégivrage des gouttes d’eau sont des phénomènes physiques courants qui revêtent une importance majeure dans un large éventail d’applications. Les principales contributions de cette thèse à l’état des connaissances consistent en le développement de nouvelles études numériques et expérimentales portant sur le givrage et le dégivrage de gouttes d’eau sessiles.Dans une première étape de cette thèse, un modèle général de changement de phase destiné à la réalisation de simulations numériques directes du givrage et du dégivrage de gouttes est développé. Ce modèle repose sur une approche hybride Volume of Fluid–Immersed Boundary Method (VOF–IBM) couplée à une formulation enthalpique. Le modèle proposé est capable de capturer correctement la physique associée, telle que le changement de phase, les transferts thermiques, l’expansion et la contraction volumiques lors du changement de phase, ainsi que l’équilibre entre les forces de tension de surface et les forces gravitationnelles. La précision numérique du cadre de calcul proposé est rigoureusement évaluée par comparaison avec la solution analytique du problème de Stefan unidimensionnel. Des erreurs relatives de l’ordre de 1 % en précision numérique démontrent l’efficacité du cadre numérique présent pour la réalisation de simulations numériques de haute fidélité dans des contextes de givrage et de dégivrage.Des études détaillées portant sur la singularité de la pointe aiguë qui se développe à la fin du processus de givrage d’une goutte d’eau sont ensuite menées dans cette thèse. Les observations expérimentales mettent en évidence l’influence de la température du substrat sur la forme finale de la pointe aiguë à des échelles de longueur relativement petites. Il est montré que la pointe devient plus aiguë lorsque la température du substrat diminue pour les températures considérées ici. Grâce aux simulations numériques, il est établi que les différentes formes de la pointe aiguë résultent d’une compétition entre la vitesse du point de triple jonction et celle du centre du front de glace au cours des dernières étapes du processus de givrage. En particulier, la forme arrondie de la pointe aiguë résulte principalement d’un givrage latéral plutôt que vertical. En outre, un modèle théorique décrivant la formation et la vitesse de la pointe aiguë est proposé, montrant un bon accord avec les résultats expérimentaux et numériques.La configuration canonique d’une goutte d’eau glacée sessile dégivrant par le bas est ensuite abordée dans cette thèse. Les observations expérimentales révèlent la physique associée au processus de dégivrage d’une goutte d’eau chauffée par le bas. En couplant observations expérimentales et simulations numériques, il est montré que la convection thermocapillaire est déclenchée pour des nombres de Marangoni supérieurs à 1000 dans le cas des gouttes d’eau sessiles. De plus, de nouvelles simulations numériques directes du dégivrage d’une goutte d’eau sont également présentées afin d’étudier la cinématique du front de dégivrage, la dynamique de la ligne de contact ainsi que la fine couche d’eau qui se développe dans la partie supérieure de la goutte.Dans la dernière partie de cette thèse, le dégivrage et le glissement d’une goutte d’eau sur un substrat incliné sont étudiés de manière systématique au moyen d’analyses expérimentales et théoriques. Plusieurs combinaisons de volumes initiaux de gouttes et d’inclinaisons du substrat sont considérées. Différents régimes de dégivrage–glissement sont identifiés pour la première fois dans cette configuration. En plus, la fine couche d’eau initiale qui se développe à la base de la goutte avant son glissement est étudiée en détail. Il est montré que son épaisseur est de l’ordre de 50 micromètres pour les gouttes d’eau considérées ici. Un modèle théorique pour la prédiction de l’épaisseur de cette couche d’eau est finalement proposé et montre un bon accord avec les données expérimentales.