Contrôle de la turbulence dans les écoulements dans des canaux: application au refroidissement des amplificateurs laser à ultra haute intensité.

par Benjamin Arrondeau

Projet de thèse en MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Sedat Tardu.


  • Résumé

    Le domaine des lasers à ultra haute intensité a connu un développement spectaculaire ces dernières années, grâce à la découverte de la technique d'amplification d'impulsions gazeuses inventée par le prix Nobel Gérard Mourou. Nous pouvons désormais envisager des lasers multi-pétawatts à taux de répétition élevé, à condition de maîtriser les effets thermiques. En effet, si chaque impulsion laser a une énergie modeste (10 J pour un laser PW commercial aujourd'hui), le taux de répétition élevé entraîne le réchauffement des amplificateurs, de sorte que seule la convection forcée peut évacuer la chaleur générée dans les amplificateurs. De plus, la conductivité thermique des cristaux amplificateurs étant plus élevée à basse température, le refroidissement cryogénique permet d'optimiser l'homogénéité de la température dans le cristal amplificateur, ainsi que parfois (dans le cas des cristaux dopés Yb), il permet d'améliorer l'efficacité du laser. Dans le cas d'un amplificateur 'multislab', le faisceau laser traverse les amplificateurs et le flux de refroidissement. Il est donc crucial de maîtriser et contrôler la turbulence du flux: en effet, si la turbulence améliore le transfert d'énergie entre l'amplificateur et le fluide de refroidissement, elle pourrait dégrader la qualité du faisceau laser en brouillant la phase. Par conséquent, ce projet de thèse aborde le problème du contrôle d'un flux turbulent entre les dalles amplificatrices. Au cours de cette thèse, nous explorons différentes situations, le plus souvent pertinentes pour le refroidissement des amplificateurs laser (dans des conditions cryogéniques, mais pas seulement…), également étroitement liées à l'apparition et au contrôle des turbulences dans les écoulements de tuyaux et dans les écoulements de couche limite. Ainsi, dans cette thèse essentiellement numérique, nous étudions différentes situations, entre ces deux extrêmes: la situation dans laquelle nous essayons d'accélérer la turbulence par des dispositifs disposés en amont des amplificateurs; et la situation où, au contraire, on cherche à retarder autant que possible le début des turbulences dans l'écoulement, en accordant une attention particulière aux conditions d'entrée, et éventuellement par des dispositifs passifs tels que des surfaces superhydrophobes (SSH) ou de grands tourbillons disjoncteurs LEBU). Les simulations numériques seront basées sur la simulation numérique directe (DNS) des équations de Navier Stokes. À partir de cette étude, nous nous attendons à examiner le potentiel et les principales caractéristiques des dispositifs passifs pour accélérer la turbulence dans les écoulements de la couche limite et à accroître nos connaissances dans ce domaine de recherche en croissance rapide, à savoir SSH et LEBUS. Cette connaissance accrue nous aidera à concevoir des systèmes de refroidissement pour les lasers à ultra haute intensité.

  • Titre traduit

    Control of turbulence in channel flows: application to the cooling of Ultra High Intensity laser amplifiers.


  • Résumé

    The domain of Ultra High Intensity lasers has experienced a dramatic development these years, thanks to the discovery of the chirped pulse amplification technique invented by the Nobel laureate Gerard Mourou. We can now consider multi-petawatts lasers at high repetition rate, provided that we can master thermal effects. Indeed, if each laser pulse has a modest energy (10 J for a commercial laser PW today), the high repetition rate results in the heating of the amplifiers, so that only forced convection can evacuate the heat generated in the amplifiers. Moreover, as the thermal conductivity of amplifier crystals is higher at low temperature, cryogenic cooling allows to optimise the homogeneity of the temperature in the amplifier crystal, as well as, sometimes (in the case of Yb-doped crystals), it permits to improve the efficiency of the laser. In the case of a 'multislab' amplifier, the laser beam passes through the amplifiers and the cooling flow. It is therefore crucial to master and control the turbulence of the flow: indeed, if the turbulence improves the energy transfer between the amplifier and the cooling fluid, it could degrade the quality of the laser beam by scrambling the phase. Therefore, this PhD project addresses the problem of the control of a turbulent flow between the amplifier slabs. During this PhD we explore different situations, most often relevant to the cooling of laser amplifiers (in cryogenic conditions, but not only…), also closely related to the onset and control of turbulence in pipe flows, and in boundary layer flows. Thus, in this essentially numerical thesis, we study different situations, between these two extremes: the situation in which we try to accelerate the turbulence by devices arranged upstream of the amplifiers; and the situation where, on the contrary, it is sought to delay as much as possible the onset of turbulence in the flow, by paying particular attention to the inlet conditions, and possibly by passive devices such as superhydrophobic surfaces (SSH) or large eddy break-up devices LEBUs). The numerical simulations will be based on the Direct Numerical Simulation (DNS) of the Navier Stokes equations. From this study we expect to examin the potential and main characteristics of passive devices to accelerate turbulence in boundary layer flows, and to increase our knowledge in this rapidly growing field of research, namely SSH and LEBUS. This increased knowledge will help us design cooling systems for ultra high intensity lasers.