Étude de l’évolution du front de glace d’une goutte d’eau impactant une surface sous-refroidie: comparaison entre simulation et expériences

Lorsqu’une goutte d’eau est mise en contact avec une surface froide (température de surface inférieure à la température de fusion du fluide), le fluide peut se solidifier. La connaissance des différents modes de solidification est une donnée cruciale dans l’aéronautique. En effet, afin de mieux appréhender le design de nouveaux matériaux permettant la protection d’engin en vol, il est nécessaire de connaitre parfaitement les modes de solidification d’une goutte d’eau en contact avec un substrat solide. Cet article sera dédié à la solidification d’une goutte d’eau liquide impactant une surface froide. Un dispositif expérimental a été mis en place pour permettre l’étude du front de solidification d’une goutte (D=2,6 mm) impactant une surface froide (température minimale de -40∘C). L’idée est ici d’utiliser des mesures de Fluorescence Induite par Laser pour obtenir des informations sur l’évolution du front de solidification horizontal dans une goutte. Une reconstruction d’images couplant deux caméras (vue de côté et vue par-dessus) permet de tenir compte de la déformation de la goutte durant sa solidification. Ces mesures permettent de valider les hypothèses de front de solidification sphérique et permettre de connaitre au cours du temps l’angle entre la partie liquide et la partie solide. Les mesures sont comparées à des simulations numériques réalisées sur Comsol®. Le modèle numérique est validé par comparaison avec la résolution du modèle de solidification 1D (basé sur la résolution du problème de Stefan). La comparaison avec le modèle numérique permet de mettre en avant l’influence de la dilatation due à la solidification de l’eau. La comparaison entre simulations et expériences permet de comprendre l’influence de la température et de la nature du substrat sur la dynamique de front de solidification de l’eau. L’effet du nombre de Weber sur la vitesse de solidification sera enfin discuté.