Rôle de la rhéologie de surface dans un écoulement diphasique MHD

On the role of surface rheology in a two-phase MHD flow

• Auteur / Autrice : Jules Delacroix
• Direction : Laurent Davoust
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 14/12/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Éric Goncalves
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Davoust, Alban Potherat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoit Scheid, Valéry Botton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement polyphasique

Rhéologie

Magnétohydrodynamique

Mots clés libres

Magnétohydrodynamique

Rhéologie de surface

Ecoulement multiphasique

Couches de Hartmann

Viscosité de surface

Métal liquide

Magnetohydrodynamics

Surface rheology

Multiphase flows

Hartmann layers

Surface viscosities

Liquid metal

Résumé

Dans les travaux de recherche développés durant cette thèse, une première approche desécoulements magnétohydrodynamiques (MHD) multiphasiques est proposée. Cette approche seconcentre sur les phénomènes liés à l’interaction entre une dynamique interfaciale et un écoulementde coeur MHD. Le couplage induit entre rhéologie de surface etMHDde sous-phase est particulièrementillustré par le développement d’un viscosimètre annulaire surfacique, dédié à l’étude desmétaux liquides progressivement oxydés. En premier lieu sont introduits les éléments théoriquespropres à laMHDet à la rhéologie de surface. La modélisation de leur couplage fait intervenir deuxparamètres interfaciaux : les viscosités surfaciques dilatationnelle et de cisaillement. L’influence respectivede ces deux paramètres sur l’écoulement MHD de sous-phase est étudiée analytiquementet numériquement dans le cas d’un écoulement (stratifié) annulaire MHD permanent. Dans la configurationretenue, un champ magnétique uniforme vertical est imposé, perpendiculairement à lasurface liquide graduellement oxydée. Le rôle décisif des contraintes visqueuses interfaciales concernantl’(in)activation des couches de Hartmann est démontré, conduisant à des topologies atypiquesd’écoulement MHD. Le viscosimètre annulaire MHD est ensuite proposé en tant que méthodeexpérimentale originale, permettant la mesure sélective des viscosités surfaciques de fluides électroconducteurs.Les premières campagnes expérimentales aboutissent à une estimation de la viscositéde cisaillement interfacial d’un alliage métallique (GaInSn) liquide à température ambiante. Finalement,une ouverture sur l’écoulement MHD à proximité d’une inclusion gazeuse sphérique rigideest discutée en annexe de ce projet, en lien avec des conditions mécaniques variables à l’interfaceliquide/gaz pilotées par la rhéologie de surface, constituant une première approche vers la descriptiondes écoulements MHD dispersés.

In this thesis work, a first approach towards the description of magnetohydrodynamic(MHD) multiphase flows is proposed, based on the investigation of the role of surface rheologyin permanent regime. The study of the coupling between bulk MHD and surface rheology is particularlymotivated by the development of an annular surface viscometer devoted to liquid metalstopped with an oxidation layer. First, theoretical foundations of MHD and of surface rheologyare separately introduced. The modelling brings out a strong coupling between bulk and surfacevelocities, the latter being dependent on two interfacial parameters: the surface shear and dilatationalviscosities. Their respective influence is analytically and numerically investigated in the caseof a permanent annular (stratified) MHD end-driven flow. In the considered geometry, a vertical(uniform) magnetic field is imposed, perpendicular to the gradually oxidising liquid surface. Thecontribution of planar surface viscous stresses to the possible electrical activation of Hartmannlayers is demonstrated, leading to a variety of atypical MHD flow patterns. The annular MHDviscometer is then developed as a first device able to perform selective measurement of the surfaceviscosities of electroconductive fluids. First experiments lead to an estimated value of the surfaceshear viscosity for a liquid alloy (GaInSn) at room temperature. Some hints are finally given to investigatethe study case of aMHDflow past a rigid fluid sphere, with varying interfacial conditionsgoverned by surface rheology, as an additionalwork constituting a first step towards the descriptionof dispersed MHD flows.