The mining sector is crucial to Canada’s economy but faces challenges in transitioning to sustainable practices amid increasing global energy demands and climate change. Dependency on fossil fuels contributes to carbon emissions, while rising temperatures in northern regions accelerate permafrost degradation, threatening critical infrastructure and mining operations. Addressing these challenges requires innovative solutions and a deeper understanding of physical phenomena in cold climates that are unique to Canada, such as solid-liquid phase changes, to ensure the industry’s long-term sustainability.

This dissertation focuses on advancing our fundamental knowledge of solidification, including both equilibrium and non-equilibrium processes, at multiple temporal and spatial scales through theoretical and experimental analyses. It begins with a state-of-the-art review of freezing processes, outlining recent progress from fundamental, methodological, and applied perspectives. The thesis then addresses macro-scale equilibrium solidification by developing novel analytical solutions to two-phase Stefan problems via singular perturbation and asymptotic analysis, which are both accurate and computationally efficient. These solutions facilitate the thermal estimation of phase change materials (PCMs) for cold thermal energy storage, as well as artificial ground freezing (AGF) for stabilizing ore deposits and protecting permafrost.

The thesis advances to the study of multi-stage and multi-scale non-equilibrium solidification, characterized by innovative laboratory experiments and unified mathematical models. Specifically, it examines the five-stage solidification of pure substances and mixtures, including stochastic heterogeneous nucleation, non-linear crystal growth, and coupled heat and mass transport with freeze-point depression. The multi-scale analysis captures temporal and spatial phenomena using novel experimental and mathematical frameworks. Non-equilibrium solidification significantly enhances the development of PCMs for cold thermal energy storage, as well as spray freezing (SF) for heating, cooling, and decontaminating wastewater in mines.

The combination of equilibrium and non-equilibrium solidification, investigated through theoretical and experimental frameworks, contributes to our fundamental understanding of complex phase-change processes. The developed analytical solution to two-phase Stefan problems significantly reduces the computational time for equilibrium processes compared to numerical methods. The novel multi-stage and multi-scale frameworks for both pure substances and mixtures accurately characterize non-equilibrium behaviors (e.g., heterogeneous nucleation and non-linear crystal growth) that are otherwise difficult to obtain via conventional approaches.

From an applied perspective, the freezing process (both at equilibrium and non-equilibrium) is a key influential factor in the thermal estimation and design of AGF, PCMs, and SF. The developed frameworks delineate practical parameters such as total freezing time, interface movement, thermal storage capacity, freeze concentration, ice quality, and ice production. Accurate analysis of freezing phenomena is of great importance in the innovation, development, and integration of these cutting-edge clean technology solutions, tailored specifically to the unique landscapes and environments of Canadian mines in today’s global energy transition and climate crisis.

Le secteur minier est essentiel à l’économie du Canada, mais il doit relever des défis pour passer à des pratiques durables dans un contexte d’augmentation de la demande mondiale d’énergie et de changement climatique. La dépendance à l’égard des combustibles fossiles contribue aux émissions de carbone, tandis que la hausse des températures dans les régions septentrionales accélère la dégradation du pergélisol, menaçant les infrastructures essentielles et les opérations minières. Pour relever ces défis, il faut des solutions innovantes et une meilleure compréhension des phénomènes physiques dans les climats froids qui sont uniques au Canada, tels que les changements de phase solide-liquide, afin d’assurer la durabilité à long terme de l’industrie.

Cette thèse se concentre sur l’avancement de nos connaissances fondamentales de la so- lidification, y compris les processus d’équilibre et de non-équilibre, à de multiples échelles temporelles et spatiales par le biais d’analyses théoriques et expérimentales. Elle commence par une revue de l’état de l’art des processus de congélation, soulignant les progrès récents d’un point de vue fondamental, méthodologique et appliqué. La thèse aborde ensuite la solidification à l’équilibre à grande échelle en développant de nouvelles solutions analytiques aux problèmes de Stefan à deux phases par perturbation singulière et analyse asympto- tique, qui sont à la fois précises et efficaces sur le plan informatique. Ces solutions facilitent l’estimation thermique des matériaux à changement de phase (MCP) pour le stockage de l’énergie thermique froide, ainsi que la congélation artificielle du sol (AGF) pour la stabili- sation des gisements de minerais et la protection du pergélisol.

La thèse porte sur l’étude de la solidification non-équilibrée en plusieurs étapes et à plusieurs échelles, caractérisée par des expériences de laboratoire innovantes et des modèles mathématiques unifiés. Plus précisément, elle examine la solidification en cinq étapes de substances pures et de mélanges, y compris la nucléation hétérogène stochastique, la crois- sance cristalline non linéaire et le transport couplé de chaleur et de masse avec la dépression du point de congélation. L’analyse multi-échelle saisit les phénomènes temporels et spati- aux à l’aide de nouveaux cadres expérimentaux et mathématiques. La solidification hors équilibre améliore considérablement le développement des MCP pour le stockage de l’énergie thermique froide, ainsi que la congélation par pulvérisation (SF) pour le chauffage, le re- froidissement et la décontamination des eaux usées dans les mines.

La combinaison de la solidification à l’équilibre et de la solidification hors équilibre, étudiée dans des cadres théoriques et expérimentaux, contribue à notre compréhension fondamentale des processus complexes de changement de phase. La solution analytique développée pour les problèmes de Stefan à deux phases réduit considérablement le temps de calcul pour les processus d’équilibre par rapport aux méthodes numériques. Les nouveaux cadres multi-étapes et multi-échelles pour les substances pures et les mélanges caractérisent avec précision les comportements hors équilibre (par exemple, la nucléation hétérogène et la croissance cristalline non linéaire) qui sont autrement difficiles à obtenir par des approches conventionnelles.

D’un point de vue appliqué, le processus de congélation (à l’équilibre et hors équilibre) est un facteur d’influence clé dans l’estimation thermique et la conception des AGF, MCP et SF. Les cadres développés délimitent des paramètres pratiques tels que la durée totale de congélation, le mouvement de l’interface, la capacité de stockage thermique, la concentration de gel, la qualité de la glace et la production de glace. L’analyse précise des phénomènes de congélation est d’une grande importance pour l’innovation, le développement et l’intégration de ces solutions technologiques propres de pointe, adaptées spécifiquement aux paysages et environnements uniques des mines canadiennes dans le cadre de la transition énergétique mondiale et de la crise climatique d’aujourd’hui.