Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

« Sciences pour l'ingénieur » : spécialité « Mécanique et Physique des Fluides »

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

mécanique des fluides,CFD,géologie,écoulement turbulent,écoulement diphasique,

Keywords

fluid mechanics,CFD,geology,Flow turbulent,Two-phase flow,

Titre de thèse

Modélisation numérique de la dynamique et de l'évolution thermique d'une goutte métallique en chute libre dans un milieu visqueux.
Numerical modeling of the dynamics and thermal evolution of a metal drop in free fall in a viscous medium.

Date

Thursday 28 May 2020 à 10:00

Adresse

Campus des Cézeaux, 63170, Aubière L'amphi Recherche du Pole Physique

Jury

Directeur de these M. Michaël LE BARS Aix Marseille Université / IRPHE
Rapporteur M. Renaud DEGUEN Université Grenoble Alpes
Examinateur Mme Maylis LANDEAU Université Paris Diderot
Examinateur M. Thomas BONOMETTI Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
Rapporteur M. Nicolas RIMBERT Université de Lorraine
CoDirecteur de these M. Julien MONTEUX Université Clermont Auvergne, Laboratoire Magmas et Volcans

Résumé de la thèse

La Terre s'est formée à la suite de multiples collisions entre des protoplanètes et des planétésimaux de tailles croissantes. Au cours de ce processus d'accrétion, une énorme quantité d'énergie est dissipée faisant ainsi augmenter les températures et entraînant des phénomènes de fusion importants à l'échelle planétaire. Chaque impact possède un angle et une vitesse de collision différents, ce qui provoque des effets différents dans les profondeurs de la Terre. L'énergie cinétique libérée lors de telles collisions, le réchauffement radioactif engendré par la désintégration des radioéléments à courte durée de vie et la dissipation de chaleur résultant de la conversion de l'énergie potentielle lors de la formation du noyau et de la séparation noyau/manteau, entraînent la fusion d'une partie ou de la totalité du manteau terrestre. Ainsi, des océans magmatiques se forment. Suite à chaque collision, le noyau de l'impacteur plonge dans le manteau primitif de la Terre avant de s'assembler avec le noyau terrestre primitif. Cette phase d'accrétion, accompagnée par la formation du noyau actuel de la Terre, est considérée comme un événement fondamental dans l'évolution des caractéristiques thermo-chimiques de la Terre. Néanmoins, la dynamique des fluides et les échanges thermochimiques de ce processus restent mal connus. Jusqu'à présent, les études ont montré que le noyau de métal liquide de l'impacteur peut se déformer dans les océans magmatiques et se fragmenter ultérieurement en gouttes de différentes tailles, allant du millimètre jusqu'à peut-être des kilomètres, conduisant à des échanges thermochimiques plus ou moins importants avec le fluide ambiant. La dynamique des fluides résultant de ce processus est un écoulement biphasique entre des gouttes métalliques liquides et un océan liquide de magma. Chaque phase liquide a ses propriétés dynamiques, thermiques et chimiques spécifiques, différentes de celles de l'autre phase. Un des paramètres les plus importants est la viscosité de l'océan magmatique. Ce paramètre dépend fortement de la température et de la pression du magma et augmente progressivement de la surface à la base de l'océan de magma. Cela génère éventuellement des contrastes de viscosité importants entre la goutte métallique et l'océan magmatique selon les conditions thermodynamiques du magma. De plus, comme mentionné ci-dessus, la taille de la goutte résultant du mécanisme de fragmentation peut varier sur une gamme allant du millimètre au kilomètre. Ces deux paramètres (le contraste de viscosité et la taille de la goutte) peuvent jouer un rôle significatif sur la dynamique et l'évolution thermochimique de la goutte, ainsi que sur les échanges thermochimiques entre la goutte et l'océan de magma. Dans le cadre de cette thèse, nous caractérisons la dynamique des fluides et l'évolution thermochimique d'une goutte métallique dans un océan magmatique. Les enjeux de cette étude sont de déterminer le rôle du rapport de viscosité entre les deux phases et la taille initiale de la goutte sur la dynamique, la stabilité, la fragmentation et l'évolution thermochimique de la goutte métallique. Pour ce faire, nous développons des modèles numériques en utilisant le logiciel commercial Comsol Multiphysics.

Thesis resume

The Earth was formed as a result of multiple collisions between protoplanets and planetesimals of increasing size. During this accretion process, an enormous amount of energy is dissipated, causing temperatures to rise and leading to major global melting events. Each impact has a different angle and speed of collision, causing different effects in the depths of the Earth. The kinetic energy released during such collisions, the radioactive heating caused by the decay of short-lived radioelements, and the heat dissipation resulting from the conversion of potential energy during nucleus formation and nucleus/mantle separation, lead to melting of part or all of the Earth's mantle. As a result, magma oceans are formed. Following each collision, the impactor core sinks into the primitive mantle of the Earth before assembling with the primitive Earth's core. This accretion phase, accompanied by the formation of the present Earth's core, is considered a fundamental event in the evolution of the Earth's thermo-chemical characteristics. Nevertheless, the fluid dynamics and thermochemical exchanges of this process remain poorly known. So far, studies have shown that the liquid metal core of the impactor can deform in the magmatic oceans and subsequently fragment into drops of different sizes, ranging from millimetres to perhaps kilometres, leading to more or less significant thermochemical exchanges with the surrounding fluid. The fluid dynamics resulting from this process is a two-phase flow between liquid metal drops and a liquid ocean of magma. Each liquid phase has its own specific dynamic, thermal and chemical properties, different from those of the other phase. One of the most important parameters is the viscosity of the magma ocean. This parameter depends strongly on the temperature and pressure of the magma and increases progressively from the surface to the base of the magma ocean. This eventually generates important viscosity contrasts between the metal drop and the magmatic ocean depending on the thermodynamic conditions of the magma. Moreover, as mentioned above, the size of the drop resulting from the fragmentation mechanism can vary over a range from millimetres to kilometres. These two parameters (viscosity contrast and drop size) can play a significant role on the dynamics and thermochemical evolution of the drop, as well as on the thermochemical exchanges between the drop and the magma ocean. In this thesis, we characterize the fluid dynamics and thermochemical evolution of a metallic drop in a magma ocean. The challenges of this study are to determine the role of the viscosity ratio between the two phases and the initial size of the drop on the dynamics, stability, fragmentation and thermochemical evolution of the metal drop. To do this, we develop numerical models using the commercial software Comsol Multiphysics.