Les chercheurs du groupe Toschi de l'Université de technologie d'Eindhoven pensent que le problème du changement de phase de l'eau avec la prise en compte de l'anomalie de densité de l'eau est d'une grande importance en ce qui concerne les phénomènes naturels courants. Leur projet de recherche est d'abord de comprendre les fondamentaux de la physique, C'est, le problème couplé des couches stratifiées de manière stable et instable avec la prise en compte de l'anomalie de densité.

Les travaux actuels ne sont que le tremplin pour explorer plus tard des problèmes de givrage plus intéressants mais complexes. Dans le futur, ils prévoient également d'étudier la fonte et la formation de la glace par rapport à l'eau de mer, par exemple. dans les expériences ajoutant du sel au système et dans la simulation ajoutant un champ scalaire de concentration couplé au champ de température (qui est la « convection double diffusion ») pour imiter l'eau de mer.

La dynamique des fluides peut modifier les comportements du système

Paysages, résultant des interactions glace-eau couplées à la solidification/fonte, sont omniprésents dans la nature, pourtant, la plupart des études précédentes n'ont pas pris en compte la riche dynamique des fluides induite par l'anomalie de la densité de l'eau sous le front de glace en mouvement, qui peuvent changer radicalement les comportements du système. Par des expériences, simulations numériques, et modélisation théorique, les chercheurs étudient la solidification de l'eau et son couplage dynamique avec les écoulements convectifs (turbulents).

Nous révélons quatre régimes distincts et développons un modèle théorique capable de capturer avec précision l'épaisseur de la glace et les échelles de temps de givrage. Mécanismes physiques révélés par cette étude, lorsqu'il est appliqué aux enregistrements géologiques de la glace de lac, peut fournir un indicateur du changement climatique. Les enquêtes actuelles offrent un aperçu plus approfondi de la compréhension du couplage entre le changement de phase et la stratification dans le milieu marin, géophysique, et les systèmes astrophysiques.

Quatre régimes de dynamique d'écoulement distincts

Les écoulements convectifs couplés à la solidification ou à la fonte des masses d'eau jouent un rôle majeur dans la formation des paysages géophysiques. En particulier en ce qui concerne le scénario de réchauffement climatique mondial, il est essentiel de pouvoir quantifier avec précision la manière dont les environnements des plans d'eau interagissent dynamiquement avec la formation de la glace ou le processus de fonte. Des études antérieures ont révélé la nature complexe du processus de givrage, mais ont souvent ignoré l'une des particularités les plus remarquables de l'eau, son anomalie de densité, et les couches de stratification induites interagissant et se couplant de manière complexe en présence de turbulence.

En combinant les expériences, simulations numériques, et modélisation théorique, les chercheurs étudient la solidification de l'eau douce, bien considérer la transition de phase, anomalie de densité de l'eau, et propriétés physiques réelles des phases glace et eau, s'est avéré essentiel pour prédire correctement les différents comportements qualitatifs et quantitatifs. Les chercheurs identifient, avec une conduite thermique croissante, quatre régimes de dynamique d'écoulement distincts, où différents niveaux de couplage entre le front de glace et les couches d'eau stratifiées de manière stable et instable se produisent. Malgré l'interaction complexe entre le front glaciaire et les mouvements des fluides, remarquablement, l'épaisseur moyenne de la glace et le taux de croissance peuvent être bien capturés avec le modèle théorique. Il est révélé que le moteur thermique a des effets majeurs sur l'évolution temporelle du processus de givrage global, qui peut varier de quelques jours à quelques heures dans le régime de paramètres actuel. Le modèle peut être appliqué à des situations générales où la dynamique de givrage se produit dans différentes conditions thermiques et géométriques.