Modélisation multi-échelle du transport de masse et de chaleur dans la neige humide

Stage de 5 mois à partir de Janvier/Février 2023

Figure : Modélisation du champ de température et de vapeur de la neige sèche à micro-échelle. Les disques représentent de façon simplifiée des grains de glace entourés d’air.

Descriptif :
Recouvrant une grande partie de sa surface en hiver, la neige est une composante essentielle du système terrestre et touche à des enjeux sociétaux et environnementaux importants, tels que la prévision du risque d’avalanche ou les études climatiques. Pour répondre à de tels enjeux, l’utilisation de modèles numériques de manteau neigeux, permettant la simulation des propriétés macroscopiques de la neige à l’échelle d’une couche, est indispensable. Un des challenges actuels est l’adaptation de ces descriptions au cas de la neige humide. La neige est dite humide lorsqu’elle présente de l’eau liquide, donnant alors lieu à un matériau constitué de trois phases : glace, air (incluant de la vapeur d’eau) et eau liquide. Cette dernière provient de la fonte lorsque la température de la neige atteint 0°C ou de l’infiltration d’eau de pluie. La présence d’eau liquide au sein de la microstructure de neige modifie significativement son comportement physique et mécanique. Une description appropriée des propriétés de la neige humide est donc cruciale mais demeure néanmoins source d’incertitudes dans les modèles de manteau neigeux et il existe peu d’études dédiées.
Dans ce contexte le stage vise à étudier un nouveau modèle à l’échelle de la couche décrivant le transport de chaleur, de vapeur et de masse dans la neige humide. On se concentrera ici sur la comparaison de cette description macro-échelle avec un modèle micro-échelle appliqué à une structure simplifiée (voir la Figure 1 qui représente le cas de la neige sèche).
Les objectifs du stage sont les suivants :
– implémenter les équations micro-échelle dans le logiciel éléments finis COMSOL et les appliquer à une géométrie simplifiée représentant les trois phases de la neige humide : la glace, l’eau et l’air
– implémenter les équations macro-échelle dans ce même logiciel
– comparer les résultats des deux modèles (micro et macro) en terme de champ de température, de vapeur et de masse pour différentes conditions initiales.

Lectures associées au sujet de stage :
– Colbeck, S. C. (1982). An overview of seasonal snow metamorphism. Reviews of Geophysics, 20(1), 45-61.
– Calonne, N., Geindreau, C., & Flin, F. (2014). Macroscopic modeling for heat and water vapor transfer in dry snow by homogenization. The Journal of Physical Chemistry B , 118 (47), 13393–13403. doi : 10.1021/jp5052535