Lattice Boltzmann Approach for the Modeling and Simulation of Water Droplets Impact and Freezing

L'impact et la congélation des gouttelettes d'eau constituent la base du givrage sur les drones. Ce processus transitoire impliquant un transfert de masse et de chaleur entraîne des effets de givrage indésirables. Afin de diminuer le danger des opérations, ce phénomène pourrait être réduit avec l'utilisation des revêtements “glaçophobes”. Des informations détaillées sur un processus aussi complexe peuvent être obtenues à partir de la simulation numérique de la solidification à l'échelle des gouttes. Dans ce contexte, la méthode Lattice Boltzmann est apparue comme une alternative prometteuse pour la simulation d'écoulements polyphasiques et de matériaux à changement de phase. Ce mémoire présente un modèle de Boltzmann sur réseau multi-phasique avec changement de phase pour étudier l'impact des gouttelettes sur une surface froide suivi de la solidification. Le modèle proposé combine un modèle de changement de phase thermique à un composant avec un modèle multi-phasique. Ces deux modèles sont vérifiés séparément. Le modèle pseudo-potentiel avec une équation d'état réelle est utilisé pour simuler des ratios de densité élevés. Le modèle thermique est basé sur l'enthalpie et permet la modélisation du changement de phase. Le couplage se fait par la méthode de frontières immergées qui traite l'interface solide-liquide. Le modèle couplé sera utilisé pour effectuer une comparaison qualitative avec des résultats expérimentaux et de simulation pour la congélation des gouttelettes en équilibre sur une surface. Par la suite, l'effet de plusieurs paramètres sur le processus de congélation est analysé. Les résultats de la simulation révèlent que les surfaces hydrophobes permettent de retarder le processus de congélation en raison de la réduction de l'aire du contact avec la surface. De plus, une température plus froide de la plaque entraînera une réduction du temps de congélation total. En ce qui concerne l'impact et le gel des gouttelettes d'eau, l'augmentation de la vitesse d'impact entraînera une plus grande aire de contact avec la sur- face. Cela fournira une plus grande surface pour le transfert de chaleur et, par conséquent, la congélation des gouttelettes sera plus rapide. Dans le même cas, les surfaces hydrophiles offrent une congélation anticipée car l'étalement sur la surface est plus important. Enfin, pour démontrer l'adaptabilité du modèle, nous simulons l'impact et le gel des gouttelettes sur un profil aérodynamique.

Abstract

Water droplets impacting and freezing represent the basis of ice accretion on airframe of unmanned aerial vehicles (UAVs). This transient process involving mass and heat transfer leads to undesired icing effects. To mitigate the hazard caused by this phenomenon, icephobic coating can be used. Detailed information on such a complex process can be acquired from the numerical simulation that directly solves the solidification process at the droplet scale. In this context, the Lattice Boltzmann method has emerged as a promising approach for simulating multi-phase flows and phase change. The present thesis presents a multi-phase Lattice Boltzmann model with phase change for studying droplet impact on a cold surface followed by a solidification process. The proposed model combines a thermal single-component phase change model with a multi-phase model. These two models are verified separately. The pseudo-potential model with a real equation of state is used to simulate large density ratios of multi-phase flows. The thermal model is based on the enthalpy and allows the phase change modeling. The coupling is made through the immersed moving boundary method that handles the solid-liquid interface. The coupled model will be used to perform a qualitative comparison with experimental and simulation results for a static droplet freezing. Subsequently, the effect of several parameters on the freezing process is analyzed. Simulation results reveal that hydrophobic surfaces allow delaying the freezing process because of the reduced area in contact with the surface. Besides, a cooler temperature of the plate will result in a reduction of the total freezing time. Regarding the impact and freezing of water droplets, the augmentation of impact velocity will lead to a larger contact area with the surface. This will provide a larger area for heat transfer and as a result, the freezing of the droplet will be faster. For the same case, hydrophilic surfaces provide anticipated freezing as the spreading on the surface is larger. Finally, to demonstrate the adaptability of the model, we simulate droplets impact and freezing on an airfoil.