Morphogenèse de structures de glace par solidification d’un ruisselet

Overview & Synopsis

Ce manuscrit est consacré à l’étude de la morphogenèse de structures glaciaires formées par la solidification de ruisselets. Il s’inscrit plus largement dans le cadre de la solidification d’écoulements naturels, à l’origine de formations spectaculaires dans la nature, telles que les cascades de glace, les stalactites ou les draperies rencontrées dans les grottes. Ce champ d’étude présente également un intérêt industriel marqué, notamment en lien avec les problèmes de givrage sur les aéronefs ou les procédés de solidification d’alliages dans l’industrie métallurgique. Afin d’analyser ces phénomènes sous un angle à la fois expérimental et théorique, nous avons étudié la formation de structures de glace générées par l’écoulement d’un ruisselet sur un plan incliné refroidi. Pour caractériser ces structures, une méthode de profilométrie optique, appelée Spatiotemporal Phase-Shifting Profilometry, a été adaptée afin de reconstruire et caractériser leur morphologie au cours du temps. Cette méthode a également permis d’étudier la géométrie d’écoulements à température ambiante tels que les méandres et les écoulements en tresse. Les expériences de solidification ont permis de mettre en évidence que le ruisselet se déplace latéralement sur l’échangeur thermique par un couplage entre gravité, inertie, capillarité et changement de phase. Ce déplacement latéral permet alors la formation de structures convergeant vers un état stationnaire, décrite par une forme triangulaire symétrique vue de dessus. L’angle apparent de cette géométrie est indépendant du débit de l’écoulement et uniquement influencé par les températures de contrôle (celle de l'eau et celle du substrat). Ces expériences ont également mis en évidence que le champ de température dans la glace est en équilibre quasi-statique avec le déplacement de l’écoulement à sa surface. De plus, un modèle bidimensionnel a été développé afin d’étudier l’évolution de hauteur de la structure vers un état stationnaire. Cette comparaison a révélé que la hauteur maximale de la structure, selon l’axe transverse de l’échangeur, évolue de manière exponentielle avec la distance à l’injection. La dynamique d’évolution des structures vers cet état stationnaire a ensuite été étudiée en suivant l’évolution du volume total de glace formée ainsi que la surface de contact avec le substrat. Nous avons également exploré le cas d’un ruisselet s’écoulant sur un bloc initial de glace, simulant des conditions analogues à celles rencontrées dans les rivières supraglaciaires. Ces expériences couplant fonte et solidification révèlent une forte analogie de géométrie avec les structures précédentes formées uniquement par solidification. Enfin, nous avons étudié la transition vers des structures bidimensionnelles de type draperies, qui apparaissent dans des conditions thermiques particulièrement froides et pour des inclinaisons proches de 180°.