Etudes expérimentales en magnétohydrodynamique : effet dynamo, turbulence et induction

Experimental study of Magnetohydrodynamics : dynamo effect, turbulence and induction

• Auteur / Autrice : Gautier Verhille
• Direction : Jean-François Pinton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lyon, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Magnétohydrodynamique

Mots clés libres

Effet dynamo

Induction

Vélocimétrie

Résumé

Ce manuscrit est consacré à l'étude de trois aspects de la magnétohydrodynamique : l'effet dynamo, l'influence d'un écoulement turbulent de métal liquide sur un champ magnétique et l'influence d'un champ magnétique fort sur un écoulement turbulent de métal liquide. Des expériences en gallium à l'ENS-Lyon, et des expériences en sodium à Cadarache, au sein de la collaboration VKS (von Karman sodium), on été menées. Une partie est consacrée à l'importance des conditions aux limites pour les processus d'induction et les mécanismes dynamo, tels que révélés par l'expérience VKS. Nous présentons les résultats obtenus en modifiant la conductivité électrique et la perméabilité magnétique des disques dans l'expérience VKG (von Kármán gallium), à bas Rm. Ils mettent en évidence l'importance d'effets d'inductions forts au voisinage de disques en fer. De même, pour comprendre le lien entre la dynamique chaotique du champ dynamo dans l'expérience VKS et celle de l'écoulement turbulent, nous avons mis en place une expérience dynamo semi-homogène avec un effet ω turbulent et un bouclage artificiel. Le champ engendré par cette expérience présente une intermittence de type on-off pilotée par les grandes échelles de l'écoulement. Cette dynamique est alors analogue à celle d'un système avec bruit multiplicatif et bruit additif. Lors de la saturation du champ dynamo, la force de Laplace est suffisamment forte pour modifier l'écoulement et stopper la croissance du champ. Afin d'étudier ce phénomène, nous avons développé deux types de sonde pour mesurer des vitesses dans des métaux liquides. Nous montrons aussi par des mesures locales et globales comment un champ magnétique fort modifie la structure et la dynamique des écoulement tourbillonnaires de von Karman.

This PhD work concentrates on three issues of magnetohydrodynamics : the dynamo effect, magnetic in- duction from flow motions and flow modifications from large applied magnetic fields. Experiments are run using von Karman flows, either in Lyon with gallium as the working fluid or Cadarache using liquid sodium, in the framework of the VKS dynamo collaborations. One issue concerns the effect of boundary conditions on induction, as evidenced by the VKS experiment for which dynamo generation has only been observed when at least on rotating driving impeller is made of soft iron. In the gallium flow, measurements made with driving impellers made with materials of variable electrical conductivity and magnetic permeability show that strong induction effects are generated in the vicinity of the iron impeller(s). Another issue concerns the link between the chaotic behavior of the magnetic field and the dynamic of the hydrodynamics flow. We build a semi-homogeneous dynamo with a turbulent ω-effect and an artificial α-effect. In this experiment, dynamo reversals are observed, with the characteristics of on-off intermittency, governed by the large scale fluctuation of the flow. This dynamics can be modeled by a system with additive and multiplicative noise. As the dynamo saturates to its equilibrium value, Lorentz forces modify the the flow. In order to study this mechanism, we have build two kinds of velocity probes which can operate in liquid metals. Using global power measurements, we also show how a large magnetic field modify the structure and the dynamics of the von Karman swirling flows.