Dynamique et transferts thermiques des gouttes ruisselantes sur une paroi froide : application au givrage aéronautique

Offre de thèse

Date limite de candidature

30-05-2025

Date de début de contrat

01-10-2025

Directeur de thèse

CASTANET Guillaume

Encadrement

Directeur de thèse : Guillaume CASTANET - LEMTA - Chargé de Recherche HDR - guillaume.castanet@univ-lorraine.fr Co-directeur de thèse : Alexandre LABERGUE - LEMTA - Professeur Université de Lorraine - alexandre.labergue@univ-lorraine.fr Le candidat présentera ses recherches lors des réunions bihebdomadaires (minimum) à ses encadrants.

Type de contrat

Concours pour un contrat doctoral

Candidater à cette offre

école doctorale

SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE

équipe

Groupe Milieux Fluides Rhéophysique

contexte

Ce sujet de thèse s'inscrit dans la continuité des travaux menés par l'équipe Transferts dans les fluides du LEMTA, qui ont porté sur l'impact de gouttes sur des parois anisothermes, notamment le givrage des gouttes sur des surfaces refroidies. Jusqu'à présent, nos recherches se sont principalement concentrées sur l'impact initial et les premiers instants de l'étalement des gouttes. Le cas des gouttes déjà déposées qui ruissellent sous l'effet d'un cisaillement, échangent de la chaleur avec la paroi et peuvent potentiellement se solidifier, n'a pas encore été étudié de manière approfondie. Cette thèse a pour objectif de combler cette lacune en approfondissant la compréhension de ces phénomènes complexes.

spécialité

Énergie et Mécanique

laboratoire

LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée

Mots clés

Transferts thermiques, Gouttes ruisselantes, Givrage aéronautique, Mouillage dynamique

Détail de l'offre

Le ruissellement des gouttes est présent dans de nombreuses applications industrielles, notamment le nettoyage de surfaces, l'évacuation des condensats et le givrage aéronautique. Dans ce dernier cas, les gouttes impactent une aile d'avion avec un certain angle d'incidence avant d'être soumises à un écoulement d'air cisaillant. Leur refroidissement sur une surface froide joue un rôle clé dans le processus de givrage. Les systèmes de protection contre le givrage se situent principalement sur le bord d'attaque des ailes, mais le ruissellement des gouttes peut provoquer une solidification en aval. Une meilleure compréhension de la dynamique des gouttes sur une paroi froide et des transferts thermiques associés est donc essentielle pour limiter ces risques.
Le déplacement d'une goutte sur une surface partiellement mouillante dépend de la dynamique de la ligne de contact, influencée par l'hystérésis de l'angle de contact (différence entre l'angle d'avancée et l'angle de recul). Lorsqu'une paroi est chauffée ou refroidie, des mouvements internes apparaissent dans la goutte en raison des frottements pariétaux et de l'effet Marangoni, ce dernier étant induit par des gradients de tension de surface. Ces phénomènes influencent directement les échanges de chaleur entre la goutte et la paroi, mais peu de travaux ont étudié les transferts thermiques en présence d'un gradient de température entre la goutte et la paroi, et encore moins lorsque la goutte subit un changement de phase, comme la solidification sur une surface refroidie. La plupart des études se concentrent sur des configurations isothermes et sur les premiers instants du déplacement de la goutte.

Cette thèse vise à étudier les transferts de chaleur en fonction de plusieurs paramètres : le diamètre de la goutte, la température de la surface, la rugosité et la mouillabilité du substrat, ainsi que la force de cisaillement. Pour cela, différentes techniques de mesure optique seront utilisées :
• Observation du comportement dynamique : Une caméra rapide en ombroscopie analysera le déplacement et la déformation des gouttes, permettant d'établir une cartographie de régimes d'écoulement.
• Mesure des écoulements internes : La vélocimétrie par suivi de particules (PTV) quantifiera les vitesses de recirculation dans les gouttes et distinguera les contributions du roulement et du glissement.
• Caractérisation des champs de température : La fluorescence induite par laser (LIF) permettra d'obtenir le champ de température au sein des gouttes. Une extension de cette technique permettra de développer des peintures fluorescentes thermosensibles pour mesurer la température à la surface du substrat.

La première année sera consacrée au développement et à la validation de ces techniques sur une paroi légèrement chauffée, afin d'étudier l'échauffement de la goutte et le refroidissement de la surface. Cette phase préliminaire permettra d'identifier les paramètres influençant les transferts thermiques, tels que la vitesse de cisaillement et la mouillabilité du substrat.

À partir de la deuxième année, les expériences seront menées dans une chambre froide (jusqu'à -20 °C) avec une hygrométrie contrôlée pour éviter la formation de givre parasite. L'objectif sera d'étudier la solidification progressive des gouttes en mouvement et son impact sur les transferts de masse et de chaleur ainsi que sur la dynamique des gouttes.

Bien que plusieurs études aient exploré l'étalement de gouttes impactant un substrat froid, les mesures détaillées des champs de température restent limitées. De plus, les modèles numériques négligent souvent les échanges thermiques entre la goutte et la surface solide. Ce travail contribuera ainsi à une meilleure compréhension des phénomènes de ruissellement et de givrage sur paroi froide.

Keywords

Heat transfer, Flowing droplets, Aircraft icing, Dynamic wetting

Subject details

Droplets that drip onto a surface play a role in various industrial applications, including surface cleaning, condensate removal, and aircraft icing. In the latter case, droplets impact an aircraft wing at a certain angle of incidence before being subjected to a shearing airflow. Their cooling on a cold surface plays a key role in the icing process. Anti-icing systems are mainly located on the leading edge of the wings, but the runoff of droplets can cause solidification downstream. A better understanding of droplet dynamics on a cold surface and the associated heat transfer mechanisms is therefore essential to mitigate these risks. The movement of a droplet on a partially wetting surface depends on the dynamics of the contact line, which is influenced by contact angle hysteresis—the difference between the advancing and receding contact angles. When a surface is heated or cooled, internal motions appear within the droplet due to wall friction and the Marangoni effect, the latter being induced by surface tension gradients. These phenomena directly influence heat exchanges between the droplet and the surface. However, few studies have investigated heat transfer in the presence of a temperature gradient between the droplet and the surface, and even fewer have examined cases where the droplet undergoes a phase change, such as solidification on a cooled surface. Most existing studies focus on isothermal conditions and on the initial moments of droplet motion. This thesis aims to study heat transfer as a function of several key parameters: droplet diameter, surface temperature, substrate roughness and wettability, and shear force. To achieve this, various optical measurement techniques will be used: Observation of dynamic behavior: A high-speed camera using shadowgraphy will analyze droplet displacement and deformation, allowing for the establishment of a flow regime map. Measurement of internal flows: Particle tracking velocimetry (PTV) will quantify recirculation velocities inside the droplets and distinguish between rolling and sliding contributions. Characterization of temperature fields: Laser-induced fluorescence (LIF) will provide temperature field measurements within the droplets. This technique will also be extended to the development of thermosensitive fluorescent coatings to measure temperature variations on the substrate surface. The first year will be dedicated to the development and validation of these techniques on a slightly heated surface to study droplet heating and surface cooling. This preliminary phase will help identify the parameters influencing heat transfer, such as shear velocity and substrate wettability. Starting from the second year, experiments will be conducted in a cold chamber (down to -20°C) with controlled humidity to prevent unwanted frost formation. The objective will be to investigate the progressive solidification of moving droplets and its impact on mass and heat transfer, as well as on droplet dynamics. Although several studies have explored droplet spreading upon impact on a cold substrate, detailed temperature field measurements remain limited. Moreover, numerical models often neglect heat exchange between the droplet and the solid surface. This work will thus contribute to a better understanding of droplet runoff and icing phenomena on cold surfaces.

Profil du candidat

Une connaissance préalable en mécanique des fluides, transferts thermiques est requise. Le candidat doit avoir un goût pour l'expérience et plus idéalement pour les techniques de mesure optiques. Le candidat doit être suffisamment à l'aise pour présenter son travail lors de conférences et de réunions. De ce fait, une bonne maîtrise de l'anglais (et/ou du français) est requise, tant à l'oral qu'à l'écrit.

Pour toute thèse proposée au sein de l'Ecole Doctorale, le futur doctorant devra bien être titulaire d'un master (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) justifiant d'un parcours remarquable.
Dans tous les cas (diplôme de master/d'ingénieur français ou étranger, …) le dossier doit comporter :
• le CV du candidat et lettre de motivation
• les notes obtenues au diplôme conférant le grade de master, mention 'Assez Bien' requise au minimum et copie du diplôme s'il est disponible
• 2 lettres de recommandations émanant du Responsable de la filière de formation et du tuteur de stage de fin d'études
• des éléments tangibles sur l'initiation à la recherche (mémoire de recherche, publication, ...).

Le dossier complet de candidature doit être envoyé à la direction de thèse par les adresses messageries des directeurs de thèses :
Directeur de thèse Guillaume CASTANET : guillaume.castanet@univ-lorraine.fr
Co-directeur de thèse Alexandre LABERGUE : alexandre.labergue@univ-lorraine.fr

Candidate profile

A Master's degree (MSc) in Mechanical and Thermal Engineering or a related field is required. A strong interest in experimental work is essential, and experience with optical measurement techniques would be an advantage. We are looking for candidates with excellent communication skills, who enjoy presenting their research at conferences and project meetings. Fluency in English (and/or French), both written and spoken, is required.

All applicants to the Doctoral School SIMPPÉ must have successfully completed a Master degree or its equivalent with a grade comparable to or better than the French grade AB (corresponding roughly to the upper half of a graduating class). In all cases (French or foreign Master degree, engineering degree, etc.) the counsel of the doctoral school will examine the candidate's dossier, which must include:
• CV and letter of motivation
• the grades obtained for the Master (or equivalent) degree and a copy of the diploma if it is available
• 2 letters of recommendation, preferably from the director of the Master program and the supervisor of the candidate's research project
• written material (publications, Master thesis or report, etc.) related to the candidate's research project.

The complete application file must be sent to the thesis supervisors by email :
Supervisor Guillaume CASTANET - LEMTA : guillaume.castanet@univ-lorraine.fr
Co-supervisor de thèse : Alexandre LABERGUE : alexandre.labergue@univ-lorraine.fr

Référence biblio

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[4] W. Chaze, O. Caballina, G. Castanet, J-F. Pierson, F. Lemoine and D. Maillet, “Heat flux reconstruction by inversion of experimental infrared temperature measurements - Application to the impact of a droplet in the film boiling regime,” Int. J. Heat Mass Transfer, 128, 469-478 (2019).
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[9] Wang, G. X. & Matthys, E. F. Experimental determination of the interfacial heat transfer during cooling and solidification of molten metal droplets impacting on a metallic substrate: Effect of roughness and superheat. Int. J. Heat Mass Transf. 45, 4967–4981 (2002).