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Science et ingénierie des matériaux et des procédés

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MHD - Transferts

Turbulence MHD

En collaboration avec l’Université de Coventry et le LnCMI (Grenoble), des expériences sont développées sous champ intense afin de contrôler la dimensionnalité de la turbulence magnétohydrodynamique et d’en étudier les transferts d’énergie. Par injection pariétale de courants électriques, la force de Lorentz J X B engendre un écoulement turbulent à faible Reynolds magnétique dans un cube. Les propriétés de la turbulence sont mesurées par une matrice de sondes potentiels électriques (pour les structures 2D) et par effet Doppler acoustique (structures 3D/2D). Au-delà, nos études montrent que les transferts d’énergie (cascades inverse versus directe) ne sont pas seulement régis par la dimensionnalité des structures turbulentes ou par l’échelle d’injection de l’énergie : ils sont également gouvernés par les mécanismes à l’œuvre de forçage et de dissipation (Journal of Fluid Mechanics 2015,  Physical Review Letters 2018, Experiments in Fluids 2017                                                                       
                                                                                                 
Schema mesure - MHD turbulence                         Carte potentiels
Schéma de principe du dispositif de mesure placé                               Cartes de potentiels électriques aux parois
dans un champ B                                                                                    supérieures et inférieures, à gauche valeur
                                                                                                                de B modérée, à droite grande valeur de B . 

MHD interfaciale

Les alliages, couramment utilisés à l'état fondu pour la fabrication de pièces légères à hautes caractéristiques mécaniques, s'oxydent au contact de l'air. La fine couche d’oxydes qui se forme à l'interface métal fondu / air vient perturber les écoulements dans les procédés de mise en forme. En présence d’oxydes, ni une condition de glissement pur, ni une condition de non-glissement, ne parviennent à décrire correctement les écoulements. Afin de mieux comprendre cette dynamique interfaciale particulière, une caractérisation mécanique sous champ magnétique du film d'oxyde est développée, accompagnée par des études physicochimiques.
Un modèle de mécanique interfaciale basé sur une approche macroscopique (Gibbs) est privilégié. Ce modèle implique des grandeurs surfaciques (dites en excès) qui doivent être identifiées à partir des expériences : tension de surface, viscosité surfacique de cisaillement, viscosité surfacique de dilatation.

Un viscosimètre annulaire MHD compatible avec la température de fusion des alliages légers est développé, il s’agit de l’expérience MaDiP. On montre par modélisation et calculs numériques que la MHD aide à mieux identifier expérimentalement les grandeurs mécaniques recherchées pour deux raisons :
  1. Un champ magnétique possède, au besoin, la capacité d’éteindre toute recirculation orthoradiale susceptible d’exciter la viscosité surfacique de dilatation, ce qui facilite notre approche fondée sur une méthode inverse,
  2. Un champ magnétique possède également la possibilité de diffuser magnétiquement jusqu’à l’interface la quantité de mouvement angulaire injectée par le fond tournant du viscosimètre.

Le cas d'une interface visqueuse présentant de la courbure et un comportement non-Newtonien peut être considéré afin de décrire au mieux les expériences sur certains alliages.
En complément, le processus d'oxydation peut également être caractérisé par des analyses cinétiques, dites thermogravimétriques, des observations au microscope électronique à balayage et des analyses à la microsonde de Castaing. Cela afin d'évaluer la morphologie, l'épaisseur, la composition chimique et la cinétique de formation de la couche d'oxyde.

In fine, nos études mécaniques ou physicochimiques les plus récentes mettent en évidence la formation d'une couche d'oxydes très visqueuse, poreuse, au comportement rhéofluidifiant (Physical Review Fluids 2019, Review of Scientific Instrument 2018, Physics of Fluids 2014, Physics of Fluids 2015)
Annular flow
Photo MADIP                                                                                       
MADIP : Viscosimètre annulaire                

Pompe électromagnétique

Les instabilités magnéto-hydrodynamiques dans les pompes à induction de grande taille (Reynolds magnétique de l’ordre de 10) ont été modélisées théoriquement et numériquement en 3D instationnaire. Des expériences menées au CEA Cadarache ont permis de caler la théorie et valider les modèles numériques, avec pour la première fois des prédictions d’amplitudes de fluctuation dans les domaines instables. Des applications sont envisagées pour les centrales nucléaires de génération IV refroidies au Sodium.(EPM 2018 Conf. Series Materials Science and Engineering)
Schéma de principe d'une pompe électromqgnétique Ecoulement pompe











Shéma de principe : Fluide (vert) entrainé par un
champ magnétique glissant                                                                  Calcul d'écoulement instable : cylindre à mi-canal            

mise à jour le 26 novembre 2019

Université Grenoble Alpes