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.