Caractérisation expérimentale et modélisation multi-échelles du transport de chaleur et de masse dans la neige sèche et humide

Auteur moral

Université Grenoble Alpes : UGA

Auteur moral

Geindreau, Christian ; Calonne, Neige ; Flin, Frédéric

Année de publication

2023

L'objectif principal de la thèse est de décrire le transport de chaleur et de masse pour différentes conditions de métamorphoses de neige, depuis l'échelle des pores jusqu'à l'échelle d'une couche de neige.Les points importants de cette caractérisation sont l'identification des processus physiques importants des métamorphoses et des propriétés de la neige à fine échelle, et leur modélisation à l'échelle macroscopique.En premier lieu, les processus physiques à l'oeuvre dans la neige sèche soumise à la métamorphose d'équi-température sont observés à l'aide d'un modèle 3-D à champ de phase à l'échelle du grain. Les propriétés de microstructure et de transport sont analysées et une estimation du coefficient de condensation, un paramètre mal contraint qui décrit l'intensité des changements de phase, est estimé en comparant les simulations à des données expérimentales.En second lieu, les processus physiques de la neige sèche soumise à la métamorphose de gradient thermique sont explorés selon une approche expérimentale et théorique. Deux expériences en chambre froide sont réalisées pour suivre l'évolution de la microstructure de la neige sous gradient de température, ainsi que les champs de température et d'humidité dans la couche de neige. Ces observations ont mis en évidence deux processus à l'échelle des grains peu documentés jusqu'à présent : la formation d'hétérogénéités dans la couche de neige causées par la dépendance de la croissance des grains à la température et la formation d'une fine couche d'air à la base de la couche de neige causée par le transport vertical de vapeur.Pour modéliser les transport de chaleur et de masse sous gradient thermique à l'échelle de la couche de neige, la méthode de changement d'échelle d'homogénéisation a été appliquée. Elle permet de dériver depuis la fine échelle, les modèles macroscopiques équivalents en considérant pour la première fois la gamme complète des valeurs du coefficient de condensation. Les performances et les limites des modèles sont ensuite estimées en comparant les simulations aux deux expériences précédemment réalisées.Enfin, le transport de chaleur et de masse dans la neige humide a été étudié par une approche numérique et théorique. D'une part, les équations de la physique à fine échelle ont été réunies afin de proposer une homogénéisation pour un cas simple, incluant des paramètres effectifs spécifiques à la neige humide. D'autre part, de l'eau liquide a été numériquement introduite dans des images 3-D tomographiques de neige sèche à différents niveaux de saturation. Les courbes de rétention d'eau ont été analysées et les propriétés de transport effectives dans la neige humide ont finalement été estimées.</div>

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