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Moving support holding probes
above : moving support holding 3 cryogenic ultra-miniature hot wires in GReC.

 

 

GReC : Grand Reynolds Cryogénique

 

Turbulent fluctuations at ultra high Reynolds number, up to Re=107

 

 



2015 update

 

Thanks to EC support provided by the euhit project, the GReC experiment had been upgraded (WP.21) and operated again in July 2015. Further information is provided in Anaïs Schaeffer article in the CERN Bulletin Issue No. 32-33/2015 Area of Turbulence (Monday 3 August 2015)

Fig.: The last day of data collection, July 2015.


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Présentation de l'expérience

 

Nous avons réalisé un jet ouvert d'Hélium gazeux à une température de l'ordre de 5 Kelvin. Cette géométrie a été choisie pour deux raisons : en premier lieu, les jets sont connus en hydrodynamique pour produire un fort taux de turbulence, et permettre ainsi l'obtention de R_lambda élevés. La seconde raison est plus pratique : cette géométrie de jet nous est familière puisque nous avons développé un jet de taille décimétrique ces dernières années (mini-jet).
L'expérience est située dans le bâtiment 2173 sur le site du CERN, où se trouve un liquéfacteur Linde de 6 kW de puissance cryogénique équivalente à 4,5 K. Le jet est alimenté directement depuis la boîte froide du liquéfacteur. De symétrie axiale, le jet est formé par une buse conique orientée vers le bas, et se développe librement dans un cryostat de 1,1 mètre de diamètre intérieur, et 4 mètres de hauteur (cf. dessin de l'expérience). En aval, le gaz remonte derrière une double paroi avant d'être renvoyé vers le liquéfacteur par la ligne de transfert coaxiale.

Vue d'ensemble de l'expérience
Vue d'ensemble de la chambre d'expérience

Les capteurs de mesure (capteurs de vitesse et/ou de vorticité) sont être positionnés en tout point du jet grâce à un système de déplacement actionné par des moteurs pas à pas fonctionnant à basse température.

Principe de déplacement des détecteurs
Animation du déplacement des détecteurs

Ce système de déplacement a été testé à température ambiante dans un jet d'air. L'enregistrement de la vitesse moyenne est représenté ci-dessous

Test du système de déplacement dans un jet d'air
Test du système de déplacement dans un jet d'air

Les paramètres de contrôle du jet sont au nombre de 3. Leur stabilité garanti la qualité du signal mesuré, et leur détermination précise permet d'accéder au nombre de Reynolds.
- La pression du gaz est mesurée en plusieurs points de l'expérience, notamment en amont de la buse et à l'intérieur de la chambre expérimentale.
- La température du gaz et son homogénéité sont contrôlées au niveau de la buse ainsi que dans le jet, et en divers points de la conduite de retour.
- Enfin, le débit d'Hélium est mesuré à l'aide d'un débitmètre cryogénique spécifiquement développé.

Stabilite temporelle en temperature et pression
Stabilité temporelle de la pression et de la température

 

 

Que mesure-t-on ?

 

Pour étudier et caractériser le phénomène de cascade d'énergie en turbulence, le signal de mesure doit contenir les informations caractéristiques de toutes les échelles impliquées : de la grande échelle (ou échelle intégrale), jusqu'à l'échelle de dissipation visqueuse (ou échelle de Kolmogorov).
Divers types de mesure peuvent être mis en oeuvre : nous avons réalisé des mesures de vitesse locale du gaz, ainsi que des mesures du champ de vorticité de l'écoulement.
La mesure de la vitesse locale en divers points de l'écoulement contient l'information sur toutes les échelles du jet. En effet, en étudiant la statistique des différences de vitesse entre deux points distants de r dans l'écoulement : ur = u(x+r) - u(x), on est à même de caractériser les gradients de vitesse sur cette échelle r. On peut alors comprendre les mécanismes de transfert d'énergie dans l'écoulement en étudiant l'évolution de la distribution des différences de vitesse en fonction de l'échelle.
Nous abordons ainsi une question fondamentale en hydrodynamique qui concerne l'évolution des fonctions de structure avec l'échelle r. Le n-ième moment de la différence de vitesse à l'échelle r est généralement supposé dépendre de l'échelle r suivant une loi de puissance.

La détermination de l'exposant de cette loi constitue un test important. Sans entrer dans les détails, on comprend que la statistique des moments d'ordre n élevés permet de caractériser les fortes différences de vitesse, et donc les "événements" rares et de forte intensité dans l'écoulement. C'est donc une mesure de l'intermittence à petite échelle de la turbulence. La détermination de la hiérarchie des exposants permet de valider tel ou tel modèle théorique, à condition de pouvoir mesurer ces moments de façon fiable, c'est à dire d'avoir accès à une large gamme d'échelles dans l'écoulement.
Les mesures de diffusion du son dans l'écoulement permettent quant à elles d'accéder à la distribution de la vorticité dans le jet. La technique expérimentale consiste à envoyer une onde sonore monochromatique sur la zone de test, et à analyser le décalage Doppler en fréquence du signal reçu par un récepteur. L'analyse spectrale du champ de pression diffusé par la turbulence permet de remonter à la transformée de Fourier spatio-temporelle de la vorticité, projetée sur un axe de référence.
Ce type de mesure spectrale présente l'avantage de ne pas perturber l'écoulement, et permet de révéler la dynamique des vortex dans le jet. Ces "structures cohérentes" jouent en effet un rôle fondamental dans le processus de cascade (étirement, repliement et appariement des tourbillons), et constituent de façon imagée les "tendons de la turbulence".

 

 

Particularité des mesures dans l'Hélium

 

La difficulté des mesures dans l'hélium gazeux à basse température provient de la dimension des plus petites structures tourbillonnaires présentes dans l'écoulement. En effet, si la faible viscosité de l'Hélium permet d'atteindre de très hauts nombres de Reynolds, elle entraîne en contrepartie que l'énergie cinétique du fluide se propage plus loin vers les petites échelles avant d'être dissipée. Ainsi, dans un écoulement à Re  = 107, l'échelle de dissipation visqueuse est de l'ordre du micromètre.
Parallèlement, les fréquences caractéristiques de mesure dépassent le Mégahertz. En effet, les structures tourbillonnaires sont entraînées par l'écoulement moyen, dont la vitesse sera - aux plus forts Reynolds - de quelques mètres par seconde au niveau des détecteurs, ce qui conduit à des temps caractéristiques inférieurs à la micro-seconde.
La résolution de ces petites échelles spatiales à haute fréquence nous a conduit à développer des anémomètres de type fil chaud dont la partie sensible mesure 1 µm3 environ. Ces capteurs originaux ont été mis au point au CRTBT entre 1995 et 1998, et reposent sur la mise en oeuvre d'un dépôt sensible supraconducteur sur une fibre de verre.
L'adaptation à basse température de la technique de diffusion acoustique - initiée et développée depuis plusieurs années dans l'air et dans l'eau par l'équipe de C. Baudet, à l'ENS de Lyon - a été entreprise au CRTBT au cours d'un stage de DEA en 1998. Un émetteur et un récepteur acoustique ont été testés avec succès à des températures de 2 à 5 Kelvin. La résolution en taille et en fréquence des petites échelles tourbillonnaires par des mesures acoustiques implique de travailler avec un signal d'excitation de quelques Mégahertz. Le développement de capteurs de large bande passante a été réalisé à l'ENSL.

 

 

Le signal mesuré

 

Le grand nombre de degrés de liberté d'un écoulement turbulent (qui est de l'ordre de Re9/4) rend nécessaire la mesure de très longs enregistrements. En effet, la statistique des fluctuations de vitesse doit être suffisamment riche pour contenir les événements intenses mais très rares, caractéristiques de l'intermittence de la turbulence (structures dissipatives ténues).
Le signal de mesure se présentera donc sous la forme de longs fichiers temporels de vitesse ou de fréquence diffusée : les enregistrements contiendront typiquement 100 Méga-points de mesure, échantillonnés à des fréquences pouvant atteindre quelques Mégahertz. La résolution digitale requise pour la mesure est de l'ordre de 18 bits, soit une dynamique de plus de 100 dB.
Le contrôle de la qualité du signal, et l'analyse en fréquence est effectué en temps réel, à l'aide d'un analyseur de spectre. Au delà de l'indispensable analyse spectrale du signal, cet appareil s'est révélé extrêmement utile au cours de nos expériences, pour diagnostiquer certaines instabilités du signal et détecter des signaux parasites (bruits, résonances mécaniques ou électriques...).
Les analyses du signal physique sont réalisées sur micro-ordinateur. Il faut souligner ici que les enregistrements provenants d'expériences de ce type (soufflerie de l'ONERA, jet cryogénique du CRTBT... ) sont rares, et servent à tester les modèles théoriques de nombreuses équipes. A ce jour, près de 10 Go de données ont été acquises.

 

 

Les paramètres de mesure

 

Comme nous l'avons évoqué un peu plus haut, les paramètres de contrôle du jet sont la pression, la température et le débit de gaz. Ils sont contrôlés et mesurés à mieux que le pourcent afin de stabiliser et déterminer précisément le nombre de Reynolds.
La pression dans la chambre est comprise entre quelques 200 mbar et 3 bars. Une mesure à 0,1 % près est obtenue avec un capteur absolu de type quartz résonant. Un capteur différentiel capacitif permet la mesure des différences de pression entre divers points de la chambre expérimentale (entre l'amont et l'aval de la buse en particulier). Les temps de réponse requis sont de l'ordre de la seconde, et les capteurs peuvent donc être placés à la température ambiante, avec une liaison capillaire vers les points de mesure.
La température du gaz est mesurée en amont de la buse et dans le coeur du jet. Les thermomètres utilisés sont des sondes Germanium, stables et reproductibles. D'autres températures de contrôle sont relevées pour vérifier en particulier l'homogénéité thermique du jet.
Le débit est mesuré grâce à un débitmètre cryogénique spécialement développé, et que nous souhaitons valoriser en collaboration une entreprise.

 

 

A sample of the data

 

A reduced set of data are posted on this page (300000 points). It corresponds to a fraction on the data for Re=3.106 (Re_lambda=3200). The wavelet analysis (color plots) has been performed with the Lastwave package.
The last graphs correspond to a zoom on the first graph (4000 points long). An strong intermittent event clearly appears.

Re3e6
Re3e6_zoom

 

 

Spectres_Compil

 

 

Participants

 

 

Equipe d'Hydrodynamique et Turbulence de l'Hélium, cryogénique, Institut NEEL, CNRS Grenoble, France


Philippe-E. ROCHE (contact person), Eléonore RUSAOUEN, Benoît CHABAUD, Gregory GARDE
with contributions and support in particular from : Emmanuel VERLOOP, Christophe GUTTIN, Gilbert SIMIAND, Olivier EXSHAW

Laboratoire Européen pour la Physique des Particules (CERN), Genève, Suisse


Olivier PIROTTE (contact person), Laurent LE MAO, Jean-Marc QUETSCH
Refrigerator operation by Ludo ALAUX, Nicolas GUILLOTIN, Jérôme HEBERT and Jean-Paul LAMBOY
with contributions and support from many including Vladislav BENDA, Benjamin BRADU , Juan CASAS CUBILLOS, Jean-Marc DEBERNARD, Nicolas FRIEDLI, Philippe GAYET, Rémi GUEYDAN, Vitaliano INGLESE, Marco PEZZETTI, Rémy ROUZET, Nicolas VAUTHIER, etc


Both project initiators (Bernard HEBRAL and Philippe LEBRUN), other active participants in the late 90s'-early 2000s campaign (in particular Sylvain PIETROPINTO, Jean-Louis BRET, Yves LADAM, Bernard CASTAING, Christophe BAUDET, Yves GAGNE, Jean-Pierre DAUVERGNE, Laurent TAVIAN, Rob VAN WEELDEREN) and the involvement of Paolo PETAGNA is warmly acknowledge.

 

 


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Ph.R. Jan, 2012