Étude de la fragmentation de métal liquide en chute libre dans un environnement visqueux : application à la formation des planètes

par Jean-Baptiste Wacheul

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides

Sous la direction de Michael Le Bars.

Le président du jury était Emmanuel Villermaux.

Le jury était composé de Henri Samuel, Renaud Deguen, Laurence Bergougnoux.

Les rapporteurs étaient Nicolas Coltice, Jacques Magnaudet.


  • Résumé

    L'accrétion de planètes telluriques comme la Terre se déroule par collisions successives entre proto-planètes déjà différenciées en un manteau de silicate et un noyau de fer. Le résultat de ces impacts est un écoulement diphasique qui est la dernière occasion pour les deux composants principaux des planètes de partiellement se mélanger. Afin d'étudier les conditions des échanges diffusifs de chaleur et d'éléments chimiques dans cet écoulement, nous avons fait des expériences sur un système de fluide analogue. Le fer liquide est représenté par un alliage de gallium et l'océan de magma est représenté par un liquide visqueux. Les vidéos de la chute d'un sphéroïde de métal liquide dans le fluide visqueux sont analysées par ordinateur pour en extraire la dynamique de l'écoulement post-impact .La température du métal liquide avant et après sa chute est mesurée dans le but d'analyser les conditions des échanges diffusifs entre les deux phases intégrées sur toute la chute. Nous montrons que la dilution du diapir produit par l'entrainement de fluide ambiant au cours de sa chute suit l'hypothèse d'entrainement turbulent. La fragmentation du métal liquide est caractérisée par la mesure de la distance de fragmentation, par la mesure du rayon moyen des gouttes produites en fonction du rayon initial du diapir et par la mesure de la distribution des tailles de goutte. La distribution est donnée par une fonction de Bessel. Les données sur la dynamique, sur la fragmentation et sur la température sont ensuite utilisées pour tester les différents modèles d'équilibration entre les deux phases

    mots clés mots clés

  • .

  • Résumé

    The accretion of terrestrial planets like Earth proceeds partly by impacts of proto-planets already differentiated in a silicate mantle and an iron core. Those impacts result in a two phase flow where the two main components of the planets partially mix for the last time. In order to study the conditions of diffusive transfer of heat and elements during this flow, we have performed experiments using an analog system of fluids. A gallium alloy is used to represent the molten iron core and a viscous fluid is used to represent the molten silicatemantle. Video recordings of the fall of liquid metal spheroids through the viscous fluid areanalyzed as a way to study the dynamics of the post impact flow. Measurements of the temperature of the liquid metal before and after its fall are performed in order to probe the conditions of the diffusive transfer between the two phases integrated along the fall.The diapir is found to dilute by entraining ambient fluid during its fall in a manner thatis well described by the entrainment hypothesis. The fragmentation of the liquid metal is quantified in terms of the break up distance, the mean radius of the droplets as a function of the spheroid’s initial radius andthe distribution of sizes of the droplets. The mean radius of the droplets is marked by the large scale falling speed which we interpret as a sign of a continuous break up process. The distribution of sizes is given by a Bessel function. The data on the dynamics, on the fragmentation and on the temperature are then used to test the existing thermal equilibration models between the two phases


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université d'Aix-Marseille. Service commun de la documentation. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.