Une vue en 3D du chaos : des chercheurs visualisent pour la première fois la turbulence induite par la température dans un métal liquide
Les expériences réalisées avec des métaux liquides pourraient non seulement permettre de mieux comprendre 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 aussi favoriser les applications industrielles, par exemple le moulage de l'acier liquide. Toutefois, les métaux liquides n'étant pas transparents, il n'existe pas encore de techniques de mesure appropriées permettant de 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 entraîné par la température en utilisant une méthode qu'elle a elle-même mise au point. Dans le Journal of Fluid Mechanics, ils décrivent les défis qu'ils ont dû relever pour y parvenir.
Depuis que les chercheurs étudient les propriétés des écoulements turbulents dans les fluides, ils utilisent une expérience qui, à première vue, semble assez simple : le fluide est versé dans un récipient dont la plaque de base est chauffée et le couvercle refroidi en même temps. Une équipe de l'Institut de dynamique des fluides du HZDR étudie les détails de ce processus. "Si la différence de température dans le fluide dépasse une certaine limite, le transport de chaleur augmente considérablement", explique le chef d'équipe, le Dr Thomas Wondrak. Ce phénomène est dû à la formation d'un flux convectif qui transporte effectivement la chaleur. Le liquide situé en bas se dilate, devient plus léger et monte vers le haut, tandis que les couches froides situées en haut descendent vers le bas en raison de leur densité plus élevée. "Au début, une circulation régulière se forme, mais lorsque les différences de température sont plus importantes, le flux devient de plus en plus turbulent. Visualiser correctement ce processus dans les trois dimensions est un défi", explique Wondrak en décrivant brièvement la situation initiale de l'expérience.
C'est là qu'intervient la tomographie inductive de flux sans contact (CIFT), une technique de mesure mise au point au HZDR : grâce à elle, les chercheurs sont en mesure de visualiser un flux tridimensionnel dans des liquides conducteurs d'électricité. 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 entraînent une modification du champ magnétique d'origine, qui peut être mesurée à l'extérieur du récipient. La structure de l'écoulement se reflète ainsi 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 de 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 (approximativement 350 kilogrammes) de métal liquide, qui est équipé d'un dispositif sophistiqué de 68 capteurs pour enregistrer la distribution de la température et de 42 capteurs de champ magnétique très sensibles.
Expériences nocturnes à faible interférence
Outre les mathématiques sophistiquées nécessaires à 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, qui sont généralement inférieurs de deux à cinq ordres de grandeur au champ magnétique appliqué. Avec un champ d'excitation de 1 000 microtesla, le champ magnétique induit par l'écoulement à mesurer est d'environ 0,1 microtesla. À titre de comparaison, le champ magnétique terrestre, qui est également enregistré et soustrait des valeurs mesurées, a une intensité d'environ 50 microtesla. "La moindre interférence électromagnétique, qui se produit par exemple lors de la mise en marche d'appareils électriques, peut perturber le signal de mesure et doit être filtrée. Afin de réduire au maximum l'influence des interférences, nous ne réalisons des expériences que la nuit", explique M. Wondrak.
Chacune de ces mesures nocturnes fournit une grande quantité de données expérimentales sur l'écoulement, ce qui permet aux chercheurs d'avoir une vision totalement nouvelle des structures d'écoulement compliquées et en constante évolution. Les données obtenues expérimentalement sont uniques, car les simulations numériques pour les mêmes paramètres d'écoulement d'une durée comparable ne sont pas réalisables dans un délai raisonnable, même à l'ère actuelle de l'informatique de haute performance.
L'équipe de Wondrak utilise des concepts mathématiques modernes pour reconnaître les structures spatiales dans les champs de vitesse complexes. Par exemple, les scientifiques ont pu identifier des schémas récurrents d'un ou plusieurs tourbillons rotatifs superposés dans le vaisseau. Cela permet de mettre un peu d'ordre dans le chaos turbulent et, entre autres, de mieux comprendre la relation entre l'écoulement et le transport de la chaleur.
Les physiciens peuvent également transposer les connaissances acquises en laboratoire à des dimensions beaucoup plus grandes en géophysique et en astrophysique, comme 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 des similitudes.
Perspectives : Nouveaux objectifs
Après avoir démontré le potentiel de la tomographie inductive de flux sans contact dans la présente publication, les chercheurs s'attachent maintenant à développer davantage 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 et pense que cette méthode permettra bientôt de mieux comprendre les écoulements turbulents de métaux liquides.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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