Des chercheurs visualisent pour la première fois la turbulence induite par la température dans un métal liquide

Les expériences avec des métaux liquides pourraient non seulement conduire à des connaissances passionnantes sur les phénomènes d’écoulement géophysiques et astrophysiques, tels que les perturbations atmosphériques au bord du soleil ou l’écoulement dans le noyau externe de la Terre, mais également favoriser des applications industrielles, par exemple la coulée de métaux liquides. acier.

Cependant, comme les métaux liquides ne sont pas transparents, il manque encore des techniques de mesure adaptées pour visualiser l’écoulement dans l’ensemble du volume. Une équipe du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a obtenu pour la première fois une image tridimensionnelle détaillée d’un écoulement turbulent de métal liquide soumis à la température en utilisant une méthode développée par elle-même. Dans le Journal de mécanique des fluidesils rapport sur les défis qu’ils ont dû surmonter en chemin.

Depuis que les chercheurs étudient les propriétés des écoulements turbulents dans les fluides, ils ont recours à une expérience qui semble à première vue assez simple : le fluide est versé dans un récipient/récipient dont la plaque de base est chauffée et dont le couvercle est refroidi en même temps. Une équipe de l’Institut de dynamique des fluides du HZDR étudie les moindres détails de ce processus.

« Si la différence de température dans le fluide dépasse une certaine limite, le transport de chaleur augmente considérablement », explique le Dr Thomas Wondrak, chef d’équipe. Cela se produit parce qu’un flux dit convectif se forme, qui transporte efficacement la chaleur. Le liquide du bas se dilate, devient plus léger et monte vers le haut, tandis que les couches les plus froides du haut coulent vers le bas en raison de leur densité plus élevée.

« Au départ, une circulation régulière se forme, mais à des différences de température plus élevées, l’écoulement devient de plus en plus turbulent. Visualiser correctement ce processus dans les trois dimensions est un défi », explique Wondrak, décrivant brièvement la situation initiale de l’expérience.

Ici, la tomographie à flux inductif sans contact (CIFT), une technique de mesure développée au HZDR, entre en jeu : grâce à elle, les chercheurs peuvent visualiser un écoulement tridimensionnel dans des liquides électriquement conducteurs. Ils utilisent le principe de l’induction de mouvement : si un champ magnétique statique est appliqué, un courant électrique est généré dans le fluide en raison du mouvement du liquide. Ces courants de Foucault provoquent une modification du champ magnétique d’origine, qui peut être mesuré à l’extérieur du navire.

De cette manière, la structure du flux se reflète dans la distribution du champ magnétique et peut être extraite des données de mesure à l’aide d’une méthode mathématique appropriée. L’équipe de Wondrak a maintenant utilisé cette technique de mesure pour dévoiler l’écoulement induit par la température dans un alliage gallium-indium-étain, qui fond à environ 10 degrés Celsius.

L’élément central de l’expérience est un cylindre de 64 centimètres de haut contenant environ 50 litres (environ 350 kilogrammes) de métal liquide, équipé d’un agencement sophistiqué de 68 capteurs pour enregistrer la répartition de la température et de 42 capteurs de champ magnétique hautement sensibles.

Expériences nocturnes à faible interférence

Outre les mathématiques sophistiquées impliquées dans la reconstruction du champ de vitesse à partir des données magnétiques, le principal défi consiste à mesurer les très petits champs magnétiques induits par l’écoulement, car ils sont généralement inférieurs d’environ deux à cinq ordres de grandeur au champ magnétique appliqué. Avec un champ d’excitation de 1 000 microteslas, le champ magnétique induit par le flux à mesurer est d’environ 0,1 microtesla.

À titre de comparaison, le champ magnétique terrestre, qui est également enregistré et soustrait des valeurs de mesure, est d’environ 50 microtesla. « Les plus petites interférences électromagnétiques, qui se produisent par exemple lors de la mise sous tension d’appareils électriques, peuvent interférer avec le signal de mesure et doivent être filtrées. Afin de minimiser l’influence des interférences, nous effectuons des expériences uniquement la nuit,  » dit Wondrak, expliquant les mesures.

Chacune de ces mesures nocturnes fournit une grande quantité de données expérimentales sur les flux qui donnent aux chercheurs un tout nouvel aperçu des structures complexes et en constante évolution des flux. Les données obtenues expérimentalement sont uniques, dans la mesure où les simulations numériques pour les mêmes paramètres d’écoulement d’une durée comparable ne sont pas réalisables dans un laps de temps raisonnable, même à l’ère actuelle du calcul haute performance.

L’équipe de Wondrak utilise des concepts mathématiques modernes pour reconnaître les structures spatiales dans des champs de vitesse complexes. Par exemple, les scientifiques ont pu identifier des schémas récurrents d’un ou plusieurs vortex rotatifs superposés dans le vaisseau. Cela apporte au moins un peu d’ordre dans le chaos turbulent et aide, entre autres choses, à mieux comprendre la relation entre le flux et le transport de chaleur.

Perspectives : nouveaux objectifs

Les physiciens peuvent également transférer les connaissances acquises lors des expériences en laboratoire à des dimensions beaucoup plus vastes en géophysique et en astrophysique, telles que les processus d’écoulement à l’intérieur des planètes et des étoiles, en appliquant des paramètres sans dimension qui trouvent leur origine dans la théorie de la similarité.

Après avoir démontré le potentiel de la tomographie en flux inductive sans contact avec la publication actuelle, les chercheurs se tournent désormais vers le développement de la méthode de mesure. L’ajout d’un champ magnétique d’excitation supplémentaire et l’utilisation de nouveaux types de capteurs de champ magnétique promettent une augmentation de la précision des mesures. L’équipe de Wondrak est optimiste quant au fait que cette méthode fournira bientôt des informations encore plus approfondies sur les écoulements turbulents de métaux liquides.