Partners


LOGO





test section of TSF
logos instituts partenaires

 

TSF (Turbulence Superfluide en France)

 

This project came to a final end in 2010. The text below present the initial proposal.
For a description of results obtained this experiment, see :

Turbulent velocity spectra in superfluid flows
Salort, J. , Baudet, C., Castaing, B., Chabaud, B., Daviaud, F., Didelot, T., Diribarne, P., Dubrulle, B., Gagne, Y., Gauthier, F., Girard, A., Hébral, B., Rousset, B., Thibault, P. and Roche, P.-E.
Phys. Fluids 22:125102 (2010) ( download - Link to Publisher )

 

 

Présentation de l'expérience

 

L'objectif principal de ce projet réside dans l'étude comparée de la cascade turbulente dans un fluide (l'hélium), en mettant l'accent sur les mécanismes qui interviennent dans la dissipation de l'énergie dans des tourbillons générés à grande échelle. A des fins de simplification, cette turbulence est générée derrière une grille dans un écoulement très peu visqueux et à grande vitesse. Ce travail s'appuie sur les propriétés exceptionnelles de l'hélium à basse température, où deux phases sont possibles, suivant que l'on se place au-dessous où au dessus de la température Tlambda. Au dessus de T l'hélium se comporte comme un fluide normal (HeI - dont certes la viscosité est très faible, mais dont les coefficients de transport sont classiques) : la turbulence est alors identique à n'importe quel autre fluide, tel que l'eau ou l'atmosphère et on s'attend à une dissipation visqueuse " classique "... Au dessous de Tlambda (phase HeII, ou phase superfluide), la nature quantique du fluide entre en ligne de compte dans la dissipation.

Le projet comporte deux volets. Dans son volet expérimental, il repose sur une collaboration récente entre différents laboratoires (CEA-SBT, CNRS/Institut NEEL et LEGI) dont les compétences s'ajoutent pour permettre une étude à la fois originale et dans des conditions d'écoulement particulièrement bien contrôlées. De nombreux défis doivent être relevés pour mener à bien ce projet: réalisation d'un écoulement turbulent à très haut Reynolds dans les phases normale et superfluide de l'hélium; réalisation de capteurs submicroniques pour accéder aux informations aux petites échelles; maîtrise de l'électronique de ces capteurs; réalisation et interprétation des expériences. A cette fin le projet rassemble des physiciens spécialistes de la turbulence, tant quantique que classique, des spécialistes de l'instrumentation à l'échelle du micron, et des ingénieurs spécialistes de la réalisation d'écoulements superfluides. Dans le volet théorique du projet (ENS-Lyon et CEA-Saclay), on utilisera une comparaison des résultats obtenus en turbulence superfluide avec ceux qui sont issus de turbulence normale afin de valider ou contraindre plusieurs problèmes ouverts de la turbulence, notamment l'intermittence, la définition d'une mécanique statistique de la turbulence, et la validation de certains modèles de turbulence.

Dans ce projet il nous sera même possible de comparer la dissipation turbulente en fonction de la proportion (Fluide quantique/fluide normal), en jouant sur la température du bain : nous espérons ainsi descendre jusqu'à 1,5 K, où environ 90% du fluide est dans la phase superfluide.

 

 

Réfrigération et Veine d'essai

 

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).

Liquef
Réfrigérateur d'une puissance de 400 W à 1,8 K

 

Pour les besoins du projet il est prévu d'augmenter les capacités du réfrigérateur (400 W , 1,8 K) afin d'atteindre la température de 1,5 K en augmentant le pompage au-dessus du bain d'hélium. Cette augmentation du pompage sera réalisée en insérant entre les compresseurs froids et la Pompe à Anneau Liquide un groupe " Roots " ; il devrait en résulter une diminution de pression au niveau du bain dit " 1,8 K " de 15 mbar à 5 mbar (cette dernière pression correspondant alors à une température de bain de 1,5 K). Cette diminution de la température du bain s'accompagne toutefois d'une réduction de la puissance disponible, ce qui nécessitera d'optimiser la veine d'essai afin d'en minimiser les pertes. La Figure 1b est un schéma d'ensemble de l'insertion de la veine d'essai représentée sur la Figure 1a dans le réfrigérateur 400 W à 1,8 K. L'échelle est donnée par le diamètre de l'installation (> à 2,5 m).

Dessin Cryostat et Veine
Schéma de la veine d'essai pressurisée, du circulateur dans le réfrigérateur 400 W à 1,8 K (de diamètre 2,5 m).

 

Description de l'expérience et de la veine d'essai: une pompe de circulation génère l'écoulement: celui-ci, pressurisé, est maintenu à la température voulue à l'aide d'un échangeur qui évacue la chaleur dégagée par la pompe et les frottements dans les canalisations ; la veine d'essai elle-même, instrumentée (voir ci-après), se compose d'une grille dont les dimensions ont été déterminées dans le cadre d'un stage coencadré CEA/SBT - LEGI (stage de Anne Bocquillon). Le diamètre de seulement 23 mm résulte d'un dimensionnement adapté à une pompe dont la capacité maximum est de 600g/s. D'après ce dimensionnement, on obtient au débit maximum de 600 g/s une vitesse sur la grille de 10 m/s des Reynolds dans la veine d'essai supérieurs à 107 et des Rlambda respectivement de 279 en hélium normal (He I à T>2.2 K) et de 436 en hélium superfluide (He II à T<2.2 K). Le même type de dimensionnement a été réalisé par le passé pour la soufflerie S1 à Modane dont la chambre est de 24 m. Le gain d'un facteur 1000 sur la taille est compensé par le 1000 sur la viscosité, et donc le même Rlambda pour une vitesse de 10 m/s. Cependant, cela correspond cette fois-ci à près de 5000 m3/s d'air à mettre en mouvement ! La valeur maximale du Rlambda déduite de ce dimensionnent pourra bien évidemment être réduite fortement en faisant varier le débit et la température du fluide de manière à vérifier l'hypothèse d'auto-similarité. Pour obtenir de tels Rlambda, on doit utiliser une pompe de circulation fonctionnant à l'hélium liquide. Les premières expériences pourraient être réalisées en He I, ce qui permettrait " tout de même " d'obtenir un Rlambda de 280. Les nombres de Reynolds se rapprocheront des conditions rencontrées dans les environnements extrêmes (coeur de réacteur, écoulements haute vitesse ou géophysiques).

 

 

Diagnostics de l'écoulement

 

La difficulté des mesures dans l'hélium 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 microseconde.

Les mesures qui devraient être adaptées à un fonctionnement aussi bien en He I et en He II concernent les mesures de fluctuations de pression, de diffusion acoustique et atténuation d'onde de second son. Les fluctuations de pression mesurées par Tabeling et al. ont permis d'enregistrer sur des mesures semi-locales des spectres très comparables en He I et en He II (une dépendance en k-5/3 est observable dans sur toute la gamme, car cette mesure est sensible à la pression aérodynamique, et donc au spectre en vitesse). Nous souhaitons répéter ces mesures avec des capteurs de même dimension latérale (1 mm2), mais de sensibilité accrue aux fluctuations de pression avec une mesure par jauge de contrainte intégrée sur la membrane au contact de l'écoulement. Ce travail est également conduit dans le cadre d'une thèse.

L'adaptation à basse température de la technique de diffusion acoustique - initiée et développée depuis plusieurs années dans l'air et dans l'eau à l'ENS de Lyon puis au LEGI - a été entreprise au CRTBT 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. A l'occasion d'une thèse du LEGI sur l'expérience Grands Reynolds Cryogéniques (GREC, au CERN), il a été montré que ces spectres acoustiques pouvaient être acquis avec une information pertinente sur la vorticité. Nous allons réduire les dimensions de ces transducteurs afin de pouvoir les insérer dans la section de mesures en aval de la grille.

capteur acoustique GReC
Transducteurs acoustiques de l'expérience GReC.

 

De micro-résonateurs à second son, développé en collaboration avec l'ESPCI et l'ESIEE, devraient permettre de mesurer localement la fluctuation de la densité de vortex quantique (phase superfluide). La résolution spatiales attendue est de 1mm*1mm*300microns pour une dynamique temporelle de DC-1kHz. La mise en oeuvre a 1,6K de tels capteurs dans l'expérience de turbulence superfluide de l'Institut NEEL a montré un spectre surprenant en -5/3 alors qu'une loi d'échelle en +1/3 (celle de l'enstrophie) était attendue.

Zoom sur pince a second son
Zoom sur une pince à second son.

 

 

Déroulement des expériences, saisie et dépouillement des données

 

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, température, pression 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. Un système d'acquisition rapide (DC - 5 MHz) et de grande sensibilité (23 bits).

Le contrôle de la qualité du signal, et l'analyse en fréquence se fera en temps réel, à l'aide d'un analyseur de spectre comme cela a déjà été le cas sur des expériences antérieures. Au-delà de l'indispensable analyse spectrale du signal, cet appareil permet de diagnostiquer certaines instabilités du signal et détecter des signaux parasites (bruits, résonances mécaniques ou électriques...).

Les analyses du signal physique seront réalisées sur micro-ordinateur. Il faut souligner ici que les enregistrements provenant d'expériences de ce type (soufflerie de l'ONERA, jet cryogénique de l'Institut NEEL... ) sont rares, et servent à tester les modèles théoriques de nombreuses équipes.

Nous pouvons espérer que les moyens mis en oeuvre pour ce projet permettront d'acquérir des données avec un même niveau de qualité, d'autant plus que, par rapport aux expériences à température ambiante, le fait de travailler à très basse température nous permet d'avoir un excellent rapport signal sur bruit.

 

 

Participants

 

Ce projet est une collaboration inter-laboratoire.

 

  • L'Laboratoire de Physique de l'ENS-Lyon qui coordonne le projet.
  • L'Institut NEEL est expert dans l'hydrodynamique de l'hélium aux températures cryogéniques ; une panoplie d'instrumentations miniature très complète a été - et est encore - développée pour caractériser la dynamique des écoulements d'hélium tant superfluide que normal (anémomètres et capteurs de température). La turbulence superfluide est un des thèmes émergent a l'Institut NEEL.
  •  

  • Le LEGI est mondialement reconnu pour sa compétence dans le domaine de la turbulence.
  •  

  • Le INAC/SBT est un expert mondialement reconnu pour sa compétence dans le domaine de la grande réfrigération : depuis la réalisation du premier bain Claudet, jusqu'à la conception du système cryogénique du LHC en passant par la réalisation du système de réfrigération du tokamak Tore Supra (Cadarache), le CEA/SBT est un des incontestables leaders mondiaux dans la mise en oeuvre de l'hélium superfluide.
  •  

  • Le SPEC est particulièrement bien placé dans l'étude fondamentale des écoulement turbulents.

 

 

La liste nominative des participants à ce projet est la suivante :
  • CASTAING Bernard (PI)
    Laboratoire de Physique
    Ecole Normale Supérieure
    UMR 5672, 46 Allée d'Italie, 69364 Lyon Cedex 7
  • BON-MARDION Michel, DIRIBARNE Pantxo, Adrien FORGEAS, GIRARD Alain, PONCET Jean-Marc, ROUSSEL Pascal, ROUSSET Bernard
    Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée
    Service des Basses Températures, Commisariat à l'Energie Atomique, DRFMC/SBT
    CEA Grenoble - 17 rue des Martyrs, 38054 Grenoble Cedex 9
  • CHABAUD Benoit, HEBRAL Bernard, ROCHE Philippe-E., (previously affiliated : DIRIBARNE Pantxo, THIBAULT Pierre)
    Institut NEEL
    Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
    25, rue des Martyrs - BP 166, 38042 Grenoble Cedex 09 UPR 5001
  • BAUDET Christophe, 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
    Service de Physique de l'Etat Condensé
    Commisariat à l'Energie Atomique
    DSM/DRECAM/SPEC, CEA/Saclay, 91191 Gif sur Yvette

 

 

Partenaires financiers

 

Outre la contribution respective des instituts de recherche (CNRS, CEA, INPG et ENS-Lyon), ce projet a bénéficié d'un soutien financier de l'ANR et de la Région Rhônes-Alpes.

 


sitemap


VASE
Ph.R. Jan, 2012