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Modélisation de l'adhérence de la glace atmosphérique sur divers substrats

Guérin Frédéric. (2014). Modélisation de l'adhérence de la glace atmosphérique sur divers substrats. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

C'est afin de mieux comprendre l'adhésion de la glace atmosphérique sur un substrat qu'un modèle mathématique a été fait prenant en considération l'existence d'une couche amorphe présente à la surface d'un cristal de glace. L'existence de cette couche amorphe, dite couche semi-liquide, a été suggérée en 1859 par le physicien britannique Michael Faraday lors de ses études sur la glace ayant pour objectifs d'expliquer le caractère glissant de la glace comparativement aux autres cristaux. Le modèle mathématique présenté dans ce mémoire a comme premier postulat que la couche semi-liquide est la cause principale de l'adhésion de la glace sur les matériaux et que c'est par la force d'adhésion capillaire qu'elle adhère aux matériaux. C'est en utilisant cette approche qu'une équation a été trouvée permettant de calculer la contrainte limite en cisaillement qu'il est nécessaire d'appliquer sur un morceau de glace atmosphérique ayant été accrété sur un substrat afin dele faire détacher de celui-ci. Cette équation met en relation les conditions de givrage, les paramètres de surface du substrat, la dimension des gouttelettes d'eau surfondues présentes à l'intérieur du nuage atmosphérique ainsi que le temps de nucléation d'une gouttelette d'eau surfondue lors de son impact avec le substrat. Afin de vérifier la validité de ce modèle, des essais en chambre climatique et en soufflerie réfrigérée permettant de recréer les conditions atmosphériques de givrage ont été effectués. Les essais en chambre climatique ont pour objectifs d'obtenir des valeurs de la contrainte de cisaillement critique de la glace atmosphérique en fonction de la température pour trois types de matériaux, soient, l'aluminium 6061-T6, l'aluminium gravé chimiquement et un revêtement hydrophobe, le Wearlon®, et de permettre la validation du modèle d'adhésion. Les valeurs de cisaillement critique sont obtenues en utilisant le Centrifuge Adhesion Test (CAT). Ces essais permettent également de vérifier l'impact de la température d'accrétion de la glace versus la température lors de l'essai de détachement. Deux séries d'essais ont donc été effectuées en chambre climatique. La première série utilise une accretion de la glace à une température de -8 °C alors que les essais de cisaillement sont effectués à différentes températures, soit, -5, -8, -10, -13, -15 et -20 °C. Pour la deuxième série d'essais, la température d'accrétion et les tests de cisaillement critique sont effectués à -5, -10, -13, -15, -20 et -25 °C.

Les tests en soufflerie réfrigérée sont quant à eux effectués en utilisant le Spinning Rotor Blade (SRB). Contrairement aux tests avec le CAT, les essais avec le SRB nécessitent de connaître la contrainte en tension critique en cohésion de la glace. C'est pourquoi les essais avec la soufflerie réfrigérée sont effectués afin de comparer le modèle et non de le valider. Les accretions de glace sont effectuées à des températures de -5, -10,-15, -20 et -25 °C pour deux vitesses de rotation, soient, 3200 et 1600 RPM. Les substrats utilisés sont l'aluminium 6063-T6, l'aluminium gravé chimiquement et le Wearlon®. Les résultats obtenus pour les 99 essais de CAT montrent l'importance de la température d'accrétion de la glace versus celle de délestage. En utilisant les valeurs de la contrainte limite en cisaillement nécessaire au délestage du morceau de glace obtenue lors de ces essais ainsi que du temps de nucléation, il a été possible de valider le modèle d'adhésion de la glace sur un substrat pour des températures d'accrétion de la glace de -5 à -13 °C. Les essais ont également montré que la glace accrétée à -13 °C, dans les conditions expérimentales de la chambre climatique, donne la même valeur de contrainte en cisaillement pour la partie adhesive et cohesive. Pour les températures en dessous de -13 °C, la partie adhesive devient trop grande comparativement à celle cohesive et les ruptures deviennent alors seulement cohesives. Les résultats obtenus pour les 54 essais avec le SRB ont permis de comparer les prévisions du modèle sur un phénomène comportant plus de complexité et de variabilité que les essais en chambre climatique. Or, malgré cette très grande variabilité des résultats obtenue en soufflerie réfrigérée, le modèle d'adhésion permet d'obtenir une bonne prédiction de la contrainte limite en cisaillement pour les pales d'aluminium, d'aluminium gravé chimiquement et celle recouverte de Wearlon® pour des températures allant de -5 à -25 °C.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:Février 2014
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:150
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Perron, Jean
Marie-Isabelle, Farinas
Mots-clés:Glace atmosphérique, adhésion, substrat, cristal de glace, modèle mathématique, couche amorphe, couche semi-liquide, adhérence, givrage, équation, chambre climatique, aluminium, cisaillement
Déposé le:15 juill. 2015 14:25
Dernière modification:29 févr. 2016 22:12
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