Formation des grelons et analyse de la microstructure cristalline

Formation des grêlons et analyse de la microstructure cristalline

Formation des grêlons

La création des grêlons est un processus naturel. Ils se forment dans un nuage d’orage, dit « cumulonimbus », lorsque l’air est très humide et que les courants ascendants sont puissants.

Des courants ascendants transportent des gouttelettes d’eau en haute altitude, de l’ordre de 15 km , là où les températures sont très froides, de ﹣15°C  à ﹣40°C  . Les gouttelettes se transforment alors en cristaux. En redescendant, d’autres gouttes viennent s’agglomérer autour des cristaux initialement formés. Les courants ascendants en bas du nuage renvoient le tout en haute altitude et le cristal initial ainsi que les gouttes d’eau gèlent. Plusieurs allers-retours peuvent être faits et une fois que les grêlons sont trop lourds pour être transportés par les courants ascendants, ils tombent.

Analyse de la microstructure cristalline d’un grêlon

Le processus de création du grêlon implique une structure par strates concentriques. Des strates plus ou moins opaques sont observables, l’opacité dépend de la vitesse de solidification de l’eau. Plus les strates sont opaques, plus la porosité est importante, elle est donc non constante au sein du grêlon. La fabrication des grêlons est un processus naturel, qualifiable d’accrétion 3D, ils ne sont pas parfaitement sphériques, il est généralement observé que la densité du grêlon est légèrement plus faible que celle de la glace pure .

La glace possède de nombreuses formes de structure cristallographique. La structure cristallographique de la glace stable sur terre est notée « Ih » (Schulson 1999; Soobarayen et al. 2017). Cette structure est hexagonale, tout comme le flocon de neige,  L’axe de symétrie de la structure hexagonale est noté « axe-c », ou « c-axis ». Au demeurant, la microstructure d’un grêlon est poly cristalline, composée de petits grains orientés aléatoirement . Trois strates concentriques sont identifiables, avec des tailles de grains différentes. Les tailles des grains correspondent à la vitesse de solidification de la strate : plus la solidification est rapide, plus les grains sont nombreux et petits.

Les analyses de la microstructure de glace sont faites à l’aide de lumière polarisée et d’un analyseur. Le caractère biréfringent de la glace est exploité (Wilson et al. 2007). Pour l’analyse d’échantillons de glace, une lame mince y est prélevée et est passée à l’analyseur .

Caractéristiques du comportement mécanique de la glace

Différents types de glace existent, de la glace de glaciers, d’icebergs, de rivière ou atmosphérique (grêlons) par exemple. Ces glaces diffèrent par leur processus de fabrication (pression atmosphérique, vitesse de solidification, pureté de l’environnement de solidification…), leur porosité ou encore leur salinité. Toutefois, de façon générale les propriétés mécaniques restent semblables, la nature du matériau étant la même : de l’eau solidifiée. Les propriétés mécaniques dépendent de nombreux facteurs .

Effets de la température

La dépendance de la résistance maximale en compression à la température est illustrée figure 2-5 (Schulson 2001). Les courbes sont présentées pour de la glace pure et de la glace avec une salinité non nulle. La résistance maximale, pour la glace pure, varie de 3 MPa à 0°C à 13 MPa à -40°C, l’effet de la température sur le comportement à rupture en compression de la glace est important.

Au contraire, en traction, la résistance maximale admissible est très peu dépendante de la température, figure 2-6 (Xian et al. 1989).

La dispersion est importante dans les résultats : figure 2-5, à -20°C, les résultats varient de 7 MPa à 11 MPa de résistance maximale pour de la glace pure, ce qui fait une dispersion de 36% et une valeur médiane à 9MPa. En analysant les résultats figure 2-6, les résultats varient de 10 MPa à 25 MPa pour des tests réalisés en compression à -20°C. La dispersion est alors de 60% et une valeur médiane de 17,5MPa. Les deux études présentées ici arrivent donc à des résultats fortement différents. Une analyse précise des conditions d’essais (fabrication des échantillons, conditions limites, post-traitement des données) semble donc nécessaire pour comprendre les écarts et comparer les résultats entre eux.

Le module d’Young ( ) semble indépendant de la température et est généralement compris entre 9,7 GPa et 11,2 GPa. Quant au coefficient de Poisson, il est également indépendant de la température et est compris entre 0,29 et 0,32 (Petrovic 2003). Les études portant sur l’impact de grêlons sur structures aéronautiques se concentrent sur l’étude de l’impact de grêlons à la température de -10°C car elle est représentative des conditions réelles rencontrées par les structures (Carney et al. 2006; Shazly, Prakash, et Lerch 2009; Sain et Narasimhan 2011; Pernas-Sanchez et al. 2012) .

Effet d’échelle 

Très peu d’études se sont intéressées à l’effet de la taille des échantillons testés. (Dempsey, Adamson, et Mulmule 1999) montrent que plus l’échantillon est volumineux, moins la contrainte à rupture est importante. Cette étude est menée sur de la glace de glaciers et d’icebergs. Ils utilisent une loi de type Bazant pour prédire les effets de taille. Petrovic (2003) suggère l’utilisation d’une loi de type Weibull afin de calculer une contrainte ultime dépendant de la taille de l’échantillon.

Effet de la multi axialité

E.M. Schulson (2001) fait des tests de sollicitations multiaxiales et montre des différences importantes dans les modes de rupture et les niveaux de résistance atteints pour de la glace colonnaire. La glace colonnaire est un type d’arrangement de microstructure, dû à une solidification orientée. En faisant varier les niveaux relatifs de sollicitations, différents modes de ruptures apparaissent, figure 2-15. Sur la figure 2-16 sont résumés les résultats obtenus pour des sollicitations quasi-statiques, avec un taux de déformation de 10⁻² s⁻¹ : en sollicitation uni axiale, dans les 2 directions, la résistance à rupture obtenue est de l’ordre de 4 MPa à -10°C. En ajoutant une seconde sollicitation, de l’ordre de 3 MPa, perpendiculaire à la première, la résistance de la glace passe de 4 MPa à 11 MPa. L’effet d’une sollicitation multiaxiale est donc très important.

Table des matières

Table des matières
TABLE DES MATIERES
TABLE DES FIGURES
TABLE DES TABLEAUX
REMERCIEMENTS
1 INTRODUCTION
1.1 CONTEXTE
1.2 LES IMPACTS
1.2.1 « HARD » IMPACT
1.2.2 « SOFT » IMPACT
1.2.3 CATEGORISATION DE L’IMPACT DE GRELON
1.3 CADRE ET OBJECTIF DE LA THESE
1.4 ORGANISATION DU MANUSCRIT
2 ETAT DE L’ART
2.1 FORMATION DES GRELONS ET ANALYSE DE LA MICROSTRUCTURE CRISTALLINE
2.1.1 FORMATION DES GRELONS
2.1.2 ANALYSE DE LA MICROSTRUCTURE CRISTALLINE D’UN GRELON
2.2 CARACTERISTIQUES DU COMPORTEMENT MECANIQUE DE LA GLACE
2.2.1 EFFETS DE LA TEMPERATURE
2.2.2 EFFETS DE LA TAILLE DE GRAINS SUR LE COMPORTEMENT MECANIQUE
2.2.3 EFFETS DU TAUX DE DEFORMATIONS
2.2.4 EFFET D’ECHELLE
2.2.5 EFFET DE LA MULTI AXIALITE
2.3 ESSAIS EXPERIMENTAUX SUR LA GLACE
2.3.1 ESSAIS QUASI-STATIQUES
2.3.2 ESSAIS DYNAMIQUES
2.4 MODELISATIONS DE L’IMPACT DE GRELONS
2.4.1 MODELES DE COMPORTEMENT
2.4.2 METHODES DE DISCRETISATION SPATIALE
2.5 MATERIAUX FRAGILES
2.5.1 DEFINITION
2.5.2 EFFETS MATERIAU VS EFFETS STRUCTURE
2.5.3 CARACTERISATION
2.5.4 MODELISATIONS NUMERIQUES
2.6 SYNTHESE
2.6.1 COMPORTEMENT MECANIQUE, ESSAIS DE CARACTERISATION MECANIQUE DYNAMIQUE DE
LA GLACE
2.6.2 MODELISATION DE L’IMPACT DE GRELONS
2.7 CONCLUSIONS
3 ETUDES EXPERIMENTALE ET NUMERIQUES DE L’IMPACT D’UN GRELON DE LABORATOIRE
3.1 ESSAIS EXPERIMENTAUX D’IMPACTS
3.1.1 EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE SIMULATED HAILSTONE ICE IMPACT
1 INTRODUCTION
2 MATERIAL
2.1 MANUFACTURING OF SHI
2.2 MICROSTRUCTURE CHARACTERISATION
3 EXPERIMENTAL SET UP
3.1 AIR GUN
3.2 FORCE SENSOR
3.3 SHI OBSERVATION DURING IMPACT
4 RESULTS
4.1 OBSERVATION OF SHIS IMPACTS
4.2 IMPACT FORCE CURVES
5 DISCUSSIONS
5.1 COMPARISONS WITH AVAILABLE RESULTS IN LITERATURE
5.2 IMPACT SCENARIO ANALYSIS
5.2.1 STRAIN RATE INFLUENCE
5.2.2 THREE PHASES SCENARIO
5.2.3 PEAK FORCE DURATION
5.2.4 FRAGMENT SIZE
5.3 SIZE EFFECT
6 SUMMARY AND CONCLUSIONS

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