• Présentation de l'expérience

• Réfrigération

• Cryostat dédié et insert de l'expérience

• L'écoulement de Von Karman

• Diagnostics de l'écoulement

• Participants

• Partenaires financiers

 

This project started in 2010. The first cool down is planned in 2012.

 

This experiment is part of the EuHit open-infrastructure experiment.

 

 

Présentation de l'expérience

 

Ce projet exploite les possibilités d'un réfrigérateur de forte puissance (400W à 1,8K) pour réaliser un écoulement de von Karman de grandes dimensions (78 cm de diamètre intérieur), aussi bien en hélium liquide normal ou superfluide, que gazeux. L'écoulement de Von-Karman est celui produit entre deux disques tournant à des vitesses différentes. Il présente l'avantage d'avoir été bien étudié, à plusieurs niveaux. L'écoulement moyen présente des structures qui commencent à être bien comprises. Suivant les régions, il peut fournir soit un modèle convenable pour la turbulence homogène et isotrope, soit un exemple intéressant de forte anisotropie. L'écoulement de Von-Karman a déjà été mis en oeuvre avec de l'hélium cryogénique dans le passé, par P. Tabeling et col., et a fourni des résultats majeurs sur la turbulence superfluide. Un point faible traditionnel des expériences cryogéniques de turbulence est la pauvreté de l'instrumentation. Le projet développera une instrumentation originale (fil chaud, pince à second son, acoustique, ...) qui permettra de sonder toutes les échelles de l'écoulement, des grandes échelles jusqu'aux sub-inertielles. La comparaison entre fluide normal et superfluide permettra un test original des théories de la turbulence. Une des forces du projet, d'une ampleur ambitieuse, est d'impliquer l'ensemble des participants, de la conception à l'analyse des résultats.

 

 

Réfrigération

 

Réfrigérateur dédié dans cette expérience : puissance froide de 400 W à 1,8 K.

 

Le CEA/SBT dispose à ce jour d'un réfrigérateur (Figure 1) d'une puissance de 400 W à 1,8 K. Cette capacité de réfrigération, de même que la température qu'il permet d'atteindre, en font un outil unique en Europe. En Europe, seuls le CERN (avec ses modules qui permettront le refroidissement du futur LHC), le Tokamak Tore Supra (300 Watt à 1,8 K), l'accélérateur supraconducteur TTF (300 Watt à 1,8 K) à DESY et l'expérience TOSKA à Karlsruhe, ont des capacités équivalentes. Cependant, ces laboratoires utilisent leur capacité de réfrigération pour leur propre besoin alors que la station d'essais du SBT se veut un outil de recherche (étude thermohydraulique des écoulements d'hélium superfluide diphasiques -cas du LHC-, étude thermohydraulique des écoulements d'hélium supercritiques - cas du futur tokamak ITER- étude de la turbulence à forts Reynolds - tirant parti de la faible viscosité de l'hélium à basse température).

 

 

Cryostat dédié et insert supportant l'expérience

 

Principe	SHREK cell	Cryostat (before floor construction)
Conception view	before multilayer insulation	after multilayer insulation

 

 

L'écoulement de Von Karman

 

The Von-Karman cell has a 780-mm-inside-diameter (propeller diameter is 721 mm). The two discs of the propellers are 702 mm distant and their angular velocities can be independently adjusted within -2 Hz to +2 Hz. The cell can be filled with pressurized liquid helium, either supercritial, gazeous, He-I (a classical Navier-Stokes liquid) or He-II (below the superfluid transition) down to at least 1.65 K. The pressure in the cell can be arbitrarily adjusted within 0-4 bars to avoid cavitation and allow operation of hot wires in liquid helium.

 

 

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	[unit]	definition	4.2 K - 2 bar	2.3 K - 1 bar	1.9 K - 1 bar	1.65 K - 1 bar
Fluid properties
Density	kg/m3	d	131	148	147	147
Superfluid fraction	[%]		0	0	56	79
viscosity / density	[m2/s]	mu/d	26.3 10-9	20.1 10-9	9.43 10-9	9.34 10-9
Flow forcing (max)
Frequency	[Hz]	f	1.8	1.8	1.8	tba
Velocity at blade exit	[m/s]	2.pi.f.R	4.4	4.4	4.4	tba
Hydraulical power	[Watt]		171	193	192	tba
Turbulence quantities
Reynolds number		Re=2.pi.f.R2d/mu	6.6 107	8.6 107	1.8 108	tba
Microscale Re		Rl=1.57 Re0.5	1280	1450	2120	tba
Kolmogorov scale	[microns]	eta=R.30 Re-0.75	16	13	21	tba

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Large scale flow in the cell	Picture of the propellers

 

 

Diagnostics de l'écoulement

 

Une des principales difficulté dans l'étude de la turbulence de l'helium cryogénique est la mise au point d'une instrumentation in-situ capable de détecter les fluctuations turbulentes. Dans le cadre de ce projet, un effet particulier a été mis en oeuvre pour mettre au point des détecteurs ad-hoc. Les capteurs envisagés sont présentés dans le tableau ci-dessous. Ces développements sont effectués dans des petites expériences flexible avec de l'hélium (TOUPIE et HeJet), de l'eau (VKE) ou de l'air (positionnement des capteurs acoustiques).

 

Second sound resonator (in collobration with the ESPCI and the IEF)		Stagnation-pressure anemometer
Micro-machined cantilever (in collobration with the PTA)		Acoutics transducers (here from the HeJet experiment).
Hot wire anemometer		Cryogenic torque meter

 

 

Participants

 

Ce projet est une collaboration inter-laboratoires : Institut Néel, Laboratoire de Physique de l'ENS-Lyon, LEGI, Luth, SBT, SPEC dont les affiliations, souvent multiples, relève de l'ENSL, CEA, CNRS, INP, Observatoire de Paris et des Universités J. Fourier et Denis Diderot.

 

La liste nominative des participants à ce projet est la suivante :

• BENALIA Hichem (aussi affilié Institut Néel), CASTAING Bernard (PI), CHEVILLARD Laurent

  Laboratoire de Physique
  Ecole Normale Supérieure de Lyon (ENSL)
  UMR 5672, 46 Allée d'Italie, 69364 Lyon Cedex 7

• BANCEL Florian, BON-MARDION Michel, BONNAY Patrick , CHARVIN Philippe , DIRIBARNE Pantxo, GIRARD Alain, MONTEIRO Lionel MORO Jean-Paul, PONCET Jean-Marc, ROUSSET Bernard

  Service des Basses Températures, INAC/SBT Commisariat à l'Energie Atomique (CEA),
  Laboratoire associé à l'Université Joseph Fourier
  17, rue des Martyrs, 38054 Grenoble Cedex 9

• HEBRAL Bernard, GIBERT Mathieu, ROCHE Philippe-E., SALORT Julien (now ENSL)

  Institut NEEL (UPR 5001)
  Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
  Laboratoire associé à l'Université Joseph Fourier
  25, rue des Martyrs - BP 166, 38042 Grenoble Cedex 9

• BAUDET Christophe, BOURGOIN Mickaël, DURI Davide (aussi affilié INAC), GAGNE Yves

  Laboratoires des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI)
  Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)
  Université Joseph Fourier, BP 53, 38041 Grenoble Cedex 9

• DAVIAUD François, DUBRULLE Bérengère, HERBERT Eric

  Service de Physique de l'Etat Condensé DSM/IRAMIS/SPEC
  Commisariat à l'Energie Atomique (CEA/Saclay)
  URA2464, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
  91191 Gif sur Yvette

• LEHNER Thierry

  Laboratoire Univers et Théories
  Observatoire de Paris-Meudon
  5 place Jules Janssen, 92195 Meudon cedex

 

 

Partenaires financiers

 

Ce projet bénéficie d'un soutien financier de l'ANR.