CNRSTurbulence studies with cryogenic helium
cryogenic helium turbulence group, CNRS, Grenoble [P.-E. Roche 2018]

Introduction à la Turbulence 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, entre autres grâce à cinq particularités rapportées ci-dessous.

En dessous de 2,18 K : 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 de la turbulence.

Les ressources du diagramme de phases de l'hélium

He phase diagram

Diagramme de phase de l'hélium avec les zones d'intérêt particulier pour l'hydrodynamique

Le diagramme de phase de l'hélium (4He) est représenté ci-contre. Il présente diverses régions d'intérêt particulier pour la mécanique des fluides

Dans les régions #1 et #6, une très large gamme de variation des nombres de Rayleigh, de Reynolds et de Mach peut être explorée , et ces nombres peuvent atteindre des records pour des expériences de laboratoire.

La phase superfluide (srégion #3 et #4) permet d'explorer la «turbulence quantique» qui 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,...

La courbe de coexistence liquide-gaz (zone 5) et la région critique présentent aussi un intérêt certain mais que nous n'exploitons pas encore.


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 :

IR image of nitrogen filling
  • 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>1e6 et Ra>1e14) 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.
  • Une pression du point critique relativement basse et facilement accessible en laboratoire (2,27 bars) 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 étendue de mesures, et aussi les nombres de Reynolds et de Rayleigh. Cette propriété est essentielle pour tester les lois d'échelle.
  • La possibilité d'approcher le point critique permet d'utiliser la divergence de certaines propriétés du fluide, telles que le nombre de Prandtl. La dépendance de l'écoulement avec ces quantités peut ainsi être explorée.
  • De nombreuses études expérimentales, numériques et théoriques font de l'hélium un des éléments les mieux connus.
  • L'environnement cryogénique est propice aux mesures de précision : rayonnement thermique et bruit Johnson faibles, blindage de l'expérience par une succession d'enceintes gigognes, 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.

 


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