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Photos liquefacteur helium
picture above : Liquid helium dewars being refilled at one of the lab liquefier.

 

Pourquoi étudier l'hydrodynamique de l'hélium cryogénique ?

Au dessus d'une température de 2,17 K, l'hélium (4He) cryogénique est un fluide irremplaçable pour étudier la turbulence des fluides newtoniens, en autres grâce à cinq particularités rapportées ci-dessous.

 

En dessous de 2,17K : l'hélium présente une phase superfluide. Dans une approche de mécaniciens des fluides, ce fluide "exotique" ne présentant aucune viscosité mais dont la vorticité est quantifiée permet de tester les propriétés fondamentales attendues de la turbulence. Au delà de cette perspective, la turbulence superfluide soulève de nombreuses questions fondamentales, par exemple sur la dynamique des systèmes quantiques non-linéaires dissipatifs, sur les processus de dissipation eux-mêmes, sur la transition entre un système quantique et sa limite classique,...

 

Les ressources du diagramme de phases

 

Le diagramme de phase de l'hélium (4He) est représenté ci-dessous. Il montre trois régions d'intérêt particulier pour la mécanique des fluides : une phase superfluide, une région critique et une région dans laquelle une très large gamme de variation des nombres de Rayleigh, de Renolds et de Mach peut etre explorée. La courbe de coexistence présente aussi un intérêt certain mais non détaillé ici.

Diagramme de Phase de l'helium

Quelques raisons pratiques

 

L'hélium cryogénique offre des opportunités uniques pour l'étude de la turbulence grâce à la conjonction de plusieurs conditions expérimentales, parmi lesquelles :

  • Des propriétés thermodynamiques et de transport favorables conduisent à des temps caractéristiques rapides et permettent d'atteindre des nombres de Reynolds et de Rayleigh élevés (Re>106 et Ra>1014) dans des cellules de 10-20 cm et pour des chauffages inférieurs au Watt. Les records des plus hauts nombres de Reynolds et de Rayleigh ont ainsi été atteints dans des expériences cryogéniques (record Re)
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  • Une pression du point critique relativement basse et facilement accessible e laboratoire (2,27 bar) permet de profiter de la plage de variation maximale des propriétés du fluide, sans avoir recours à un appareillage «haute pression». Par exemple, en ajustant la pression, la densité de fluide peut être celle d'un gaz raréfié ou celle d'un liquide. Ceci permet d'ajuster la viscosité cinématique sur une large plage de paramètres, et aussi les nombres de Reynolds (fig.) et de Rayleigh. Cette propriété est essentielle pour tester les lois d'échelle.
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  • La possibilité d'approcher le point critique permet d'utiliser la divergence de certaines propriétés du fluide, telles que le nombre de Prandtl (fig.). La dépendance de l'écoulement avec ces quantités peut ainsi être explorée.
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  • De nombreuses études expérimentales, numériques et théoriques font de l'hélium un des éléments les mieux connus.
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  • L'environnement cryogénique est propice aux mesures de précision : rayonnement thermique et bruit Johnson faibles, blindage de l'expérience par différents niveaux de cryostats, disponibilité d'un fluide très pur (condensation des impuretés), possibilité d'utilisation de fils de mesure supraconducteurs (et mauvais conducteurs thermiques), réponse rapide des détecteurs (>MHz) grâce aux faibles capacités calorifiques des matériaux, faibles temps de diffusion thermique dans les métaux (< 1 ms sur 10 cm de cuivre), ce qui permet une régulation en température très efficace,...

 

 

Mais l'hélium cryogénique turbulent ne livre ses secrets qu'au prix d'une mise en oeuvre expérimentale délicate. La spécialité de notre groupe est de répondre à ce défi avec une instrumentation spécialement développée : micro-anémomètres, micro-thermomètres, calorimétrie de précision, ... afin de révéler les propriétés de la turbulence dans des conditions aussi "propres" et contrôlées que possible.

 

Divers Capteurs dans une conduite pour superfluide
Remplissage d'Azote d'une experience
Thermometre miniature dans une cellule de convection

 


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Ph.R. Jan, 2012