Hydrodynamique et Turbulence de l'hélium

picture above : Grenoble's Polygone Scientifique from La Bastille.

Communications during scientific events and Seminars

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In 2012

Colloquium du Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon
Lyon Dec 17th, 2012 (11h00)

European meeting : Superfluid turbulence from the perspective of numerics: modeling, methods and challenges
Centre Blaise Pascal, ENSL-Lyon, France Nov 26-28 (2012)

Séminaire du Master recherche parcours Physique de la Matière Condensée
Orsay Sept 26th, 2012 (13h30)
• La turbulence quantique presented by P.-E. Roche

Il est difficile de brasser un pot de miel avec une cuillère car la viscosité de ce fluide freine efficacement tout écoulement. Par contre, dans un fluide moins visqueux comme dans le café d'une tasse, un simple mouvement de cuillère génèrera des tourbillons de différentes tailles : l'écoulement est "turbulent". Malgré les apparences, la viscosité du café continue toutefois de jouer un rôle central en freinant très efficacement les tourbillons les plus petits, et in-fine, en dissipant toute l'énergie cinétique de l'écoulement.
Qu'advient-il si l'on brasse un fluide ne présentant strictement aucune viscosité ? Un liquide exotique permet d'aborder cette question : l'hélium superfluide. En dessous de 2,17 K, l'hélium liquide entre en effet dans une phase quantique et il acquiert des propriétés remarquables dont celle de pouvoir s'écouler sans présenter d'effet visqueux. Dès 1955, Richard Feynman a introduit ainsi le concept de "turbulence quantique", encore appelé "turbulence superfluide", mais il a fallu attendre près d'un demi siècle pour qu'expérimentateurs, numériciens et théoriciens s'emparent en laboratoire de ce concept.
Après une introduction générale, l'exposé dressera un panorama international de cette activité et présentera quelques-uns des principaux défis relevés par les chercheurs. Le propos sera illustré par une présentation de progrès très récents.

10èmes Journées de Cryogénie et de Supraconductivité
Aussois, France, Juin 5-8 (2012)
• Hydrodynamique et Turbulence superfluide presented by P.-E. Roche

Pour décrire l'écoulement d'un fluide visqueux, tel que l'eau, l'air, l'hélium gazeux ou l'He-I, un paramètre hydrodynamique joue un rôle central : le nombre de Reynolds. A l'aide de ce nombre et à partir d'abaques universels, on estime par exemple les pertes de charge le long d'une conduite, le coefficient de trainée d'une aile ou une condition de stabilité d'un écoulement. En dessous de sa transition superfluide, l'hélium 4He liquide (He-II) peut être décrit comme un mélange de deux composantes: un fluide « normal » visqueux et un autre «superfluide », capable de sécouler sans viscosité. Comment prédire les propriétés des écoulements d'hélium superfluide ? En particulier, peut-on utiliser les connaissances acquises sur la turbulence des fluides visqueux ? Le nombre de Reynolds du superfluide est a priori infini puisquil est inversement proportionnel à sa viscosité. l'utilisation directe des abaques classiques est donc impossible. Toutefois, il y a une vingtaine d'années, des études expérimentales motivées par la refroidissement des bobines supraconductrices (LHC, ) ont rapporté que la perte de charge d'une conduite d'He-II est correctement estimée avec les abaques classiques, sous réserve de prêter au superfluide une viscosité finie. L'exposé présentera une série d'études récentes, expérimentales et numériques, de la turbulence de l'He-II apportant un éclairage nouveau sur cette problématique. En particulier, on montrera comment sous certaines conditions, les écoulements superfluides turbulents présentent une viscosité apparente.

Workshop on Quantum Turbulence in Two Fluid Systems
Abu Dhabi, UAE, May 21-23 (2012)
• Can one infer the temperature of a turbulent superfluid using a millimeter-resolution anemometer ? presented by P.-E. Roche

In superfluid 4He wind-tunnels, high-Re flows can be generated over the temperature range 2.17 - 1.3 K, which corresponds to a superfluid fraction adjustable between 5% and 95%. Over this range, the properties of turbulence should evolve continuously, as the normal fluid vanishes and the superfluid becomes prevalent. The talk will address the following question : "How does the change in the balance of two fluids affect the Kolmogorov cascade and modify the turbulent fluctuations of He-II ?". The discusion will be nourished with numerical and experimental results.

New challenges in turbulence research
Les Houches, France, March 18-23 (2012)
• Turbulence of superfluid ⁴He : a tour of 6 experiments & 1 simulation presented by P.-E. Roche

This lecture will present 6 experiments and 1 simulation of ⁴He turbulence at ﬁnite temperature. Phenomenological and quantive aspects of "the two-ﬂuid casade" will be introduced step by step, to interpret the outcome of each experiment, orpresent challenges in our understanding of superﬂuid turbulence.

In 2011

GDR Turbulence
Aussois, France Dec. 12-14 (2011)
• Convection presented by P.-E. Roche

Meeting on cryoelectronic devices - Kryo 2011
Autrans, France, October, 2-4 (2011)
• Superfluid velocity measurements with a superconducting micro-resonator presented by J. Salort

13^th EUROMECH European Turbulence Conference
Warsaw, Poland, Sept. 12-15 (2011)
• The Ultimate Regime of Convection over uneven plates by R. Kaiser et al.
• Micro-cantilever Anemometer for Cryogenic Helium by A. Monfardini et al.
• Experimental spectra of quantum turbulence for various flows by J. Salort et al.
• Vorticity scattering measurements in a superfluid inertial round jet by D. Duri et al.
• Kolmogorov cascade and equipartition of kinetic energy in numerical simulation of Superfluid turbulence by P.-E. Roche et al.

4th Workshop on the Physics and Applications of Superconducting Microresonators
St Martin d'Hères, France, July, 28-29 (2011)
• Miniature velocity probe for superfluid turbulence presented by J. Salort

Topical Meeting on Nanomechanic
Institut Néel, Grenoble, May 23 (2011)
• Design and Micro-machining of a Cryogenic Cantilever Anemometer for Superfluid Turbulence presented by J. Salort

Workshop on Classical and Quantum Turbulence
Abu Dhabi, UAE, May 2-5 (2011)
• Recent results for statistics in turbulent Helium II presented by J. Salort
• High Reynolds simulations of the 2-fluids continuous equations with a quantum-of-circulation-consistent numerical truncation presented by P.-E. Roche
• Cryogenic Cantilever Anemometer presented by J. Salort
• Local probes presented by P.-E. Roche

2nd PTA Users Meeting
Minatech, Grenoble, Jan. 24 (2011)
• Micro-poutrelle comme anémomètre pour la turbulence superfluide presented by J. Salort

In 2010

GDR Turbulence
Paris, France Nov. 3-5 (2010)
• Le principe des anémomètres à base de cantilevers; l'apport des techniques de salle blanche pour l'instrumentation hydro presented by J. Salort

Séminaire Néel
Grenoble Oct 19th, 2010 (11h00)
• Turbulence d'une pelote de vortex quantiques presented by P.-E. Roche

En dessous de 2,17 K, l'hélium liquide acquiert des propriétés superfluides. Il peut alors s'écouler sans viscosité et les "tourbillons" de son champ de vitesse se concentrent sur vortex quantiques. Dès 1955, R. Feynman attira l'attention sur la dynamique chaotique que devait présenter une pelote de vortex quantiques ; il introduisit ainsi le concept de "turbulence superfluide". Les études en laboratoire n'ont toutefois connu un véritable essor que depuis une dizaine d'années. Pour sonder cette turbulence superfluide, nous mettons en œuvre une approche originale associant mesures locales de fluctuations et simulations numériques sur supercalculateurs. Cette approche, et ses récents succès, seront présentés.

Meeting on Quantum Turbulence
Grenoble, France Aug. 7 (2010)
• Turbulent statistics in He-I versus He-II : comparison in various flows presented by J. Salort

International Symposium on Quantum Fluids and Solids
Grenoble, France Aug. 1-7 (2010)
• Velocity spectra in Turbulent He II poster by J. Salort
• Turbulent Convection : does the Ultimate Regime really follow Kraichnan prediction ? poster by P.-E. Roche
• Superfluid High Reynolds number von Karman experiment poster by B. Rousset

International workshop on Vortices, Superfluid dynamics and Quantum turbulence
Lammi, Finland Apr. 11-16 (2010)
• Local anemometers for Superfluid Turbulence poster by J. Salort
• ⁴He at finite temperature : DNS of homogeneous Superfluid Turbulence presented by P.-E. Roche

New challenges in turbulence research
Les Houches, France, Feb. 21-26 (2010)
• Local sensors for cryogenic helium experiments presented by J. Salort
• Helium for Turbulence Research : overview of a few opportunities presented by P.-E. Roche

High Ra convection and Beyond
Les Houches, France, Jan. 25-29 (2010)
• Ultimate regime Vs. Kraichnan regime presented by P.-E. Roche

In 2009

12^th EUROMECH European Turbulence Conference
Marburg, Sept. 7-10 (2009)
• Convection at very high Rayleigh number: signature of transition from a micro-thermometer inside the flow presented by J. Salort
• TSF Experiment for comparison of high Reynold's number turbulence in He-I and He-II : first results presented by P. Diribarne
• Turbulent cascade of a quantum fluid at finite temperature presented by P.-E. Roche
• Shot noise of thermal plumes : Evidence of a boundary layer instability consistent with the onset of Kraichnan's Regime of convection presented by P.-E. Roche

Workshop on Experiments for Particles in Turbulence (Cost Action MP0806 WP1)
Zurich, Aug 26-28 (2009)
• Local thermometry to be presented by P. E. Roche

International Conference on Complexity in Physics
Lyon, June 1-5 (2009)
• The Ultimate Regime of Convection (with belt and braces) to be presented by P. E. Roche

Workshop on Topics in Quantum Turbulence
ICTP, Trieste, March 16-20 (2009)
• Velocity spectra from various He-II flows at finite temperature presented by P. E. Roche

In 2008

61st Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
San Antonio, TX, Nov. 23-25 (2008)
• Classical Vs. Superfluid Turbulence presented by P. E. Roche

Workshop on Visualizing Thermo-Fluid Dynamics at Low Temperature
San Antonio, TX, Nov. 19-21 (2008)
• Imaging LHe with neutrons, photons and CPU presented by P. E. Roche

Seminaires Dautreppe
Grenoble, Oct 20-23 (2008)
• Le Régime Ultime de la convection (fete ses 10 ans de controverse) presented by P. E. Roche

Inertial-Range Dynamics and Mixing
Cambridge, Sept. 29-Oct 3 (2008)
• The Spectrum of vortex density in a turbulent superfluid : Interpretation of a recent experiment presented by P. E. Roche

Condensed Matter and Materials Physics
Royal Holloway, UK, March 26-28 (2008)
• Quantum Turbulence experiments in Grenoble : Turbulent fluctuations of superfluid vortices presented by P. E. Roche

In 2007

Second International Workshop on CICLoPE
Bertinoro, Oct. 13-15 (2007)
• High Reynolds number pipe flow using cryogenic flow presented by P. E. Roche

CEC / ICMC
July, 16-20 (2007)
• Experimental facility for comparison of high Reynolds number turbulence in both HeI and HeII : first results presented by B. Rousset

11^th EUROMECH European Turbulence Conference
Porto, Portugal, June 25-28, (2007)
• Probing Vortex Density Fluctuations in Superfluid Turbulence presented by P. E. Roche
• Ultimate regime of convection: search for a hidden triggering parameter presented by F. Gauthier

European Workshop on Turbulence in Cryogenic HElium
CERN, Geneva, April 23-25 (2007)
• He hydrodynamic facilities used and in preparation at CERN presented by P.-E. Roche
• Fluid Mechanics with Helium: A Few Examples presented by B. Castaing
• Large scale He hydrodynamic facilities at CEA/SBT presented by B. Rousset

Introduction à l'hydrodynamique cryogénique
Conférence du département de physique de l'École Normale Supérieure de Lyon, ENS-Lyon (Séminaire video online) April 18 (2007)

Les propriétés thermodynamiques très singulières de l'hélium à basse température (quelques degrés Kelvin) permettent de produire en laboratoire des écoulements modèles inaccessibles aux expériences traditionnelles. Après une introduction à cette discipline - l' hydrodynamique cryogénique- nous illustrerons son apport à deux problèmes ouverts en turbulence. D'abord, par le biais d'une controverse, toujours vive, sur le régime de la convection thermique attendu dans les écoulements géophysiques (atmosphère, océans, ...). Ensuite, sur le problème plus académique de la dynamique d'une pelote de vortex, telle un plat de spaghetti, et dont chaque élément de longueur entraînerait en rotation tous les autres selon une loi de type Biot et Savart.

Ph.R. Jan, 2012

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