Etude expérimentale de l'instabilité de Richtmyer-Meshkov en géométrie sphérique

Experimental study of the Richtmyer-Meshkov instability in spherical geometry

• Auteur / Autrice : Mathieu Brasseur
• Direction : Georges Jourdan, Christian, Jules, Lucien Mariani, Marc Vandenboomgaerde, Diogo Camello Barros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI) (Marseille) - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (France). Direction des applications militaires (Île-de-France)
• Jury : Président / Présidente : Henda Djeridi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Bury, Ashwin Chinnayya, Stéphane Jamme, Denis Souffland
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Riccardo Bonazza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perspective sphérique

Instabilités hydrodynamiques

Ondes de choc

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Ondes de choc

Instabilités hydrodynamiques

Expérimentation

Shock waves

Hydrodynamic instabilities

Experiments

Résumé

L'instabilité de Richtmyer-Meshkov se produit lorsqu'une interface perturbée entre deux fluides est accélérée par une onde de choc. Elle est d'importance primordiale en fusion par confinement inertiel, au cours de laquelle elle déclenche un mélange entre le combustible et sa coquille, empêchant l'allumage de la réaction. Cette instabilité a largement été étudiée en géométrie plane, et plus récemment en cylindrique afin de prendre en compte les effets de convergence. Dans cette étude, nous étudions expérimentalement cette instabilité en géométrie sphérique, où les effets de convergence sont plus prononcés. Tout d'abord, nous démontrons la possibilité de générer une onde de choc sphérique convergente dans une chambre conique adaptée à un tube à choc de section carrée, en utilisant la différence d'impédance acoustique entre différents gaz. La propagation du choc est contrôlée par diffusion de Mie, avec une caméra rapide, un plan laser et un ensemencement de particules micrométriques. La déformation optique devient un défi de par la forme conique de la chambre d'essais. Un algorithme de machine learning est utilisé pour reconstruire l'image non-déformée de l'écoulement. L'analyse d'images permet d'étudier la forme et la trajectoire du choc. L'étape suivante est d'appliquer cette technique expérimentale à l'étude de l'instabilité en géométrie sphérique, où le choc interagit avec une interface perturbée entre différents gaz. L'instabilité est à nouveau observée par diffusion de Mie avec une caméra rapide .Nous étudions le déplacement et la croissance des perturbations à l'interface, et comparons ces résultats à des simulations numériques et à des prédictions théoriques

Richtmyer-Meshkov instability occurs when a corrugated interface between two fluids is accelerated by a shock wave. It is of primary importance in inertial confinement fusion, where it triggers a mixing between fuel and shell, preventing the ignition of the reaction. This instability has been widely investigated in planar geometry, and, more recently, in cylindrical geometry, to consider convergence effects. In this study, we experimentally investigate this instability in spherical geometry, where convergence effects are more pronounced.First, we demonstrate the possibility of generating a spherical converging shock wave in a conical chamber, fitted to a shock tube of square cross-section, using the impedance mismatch between different gases. The shock propagation is monitored by a Mie scattering method, equipped with a high-speed camera, a laser sheet setup, and micron-sized particles seeding.Due to the conical geometry of the chamber, optical distortion correction becomes challenging. A machine learning algorithm is used to reconstruct the undistorted image of the flow. This analysis of images enables the study of the shock sphericity and its trajectory.The next step is to apply this experimental technique to study the instability in spherical geometry, where the shock wave interacts with a corrugated interface between different gases. The instability is again monitored thanks to the high-speed camera and planar Mie scattering. We study both the displacement and the growth of the perturbations at the interface and compare it to numerical simulations and new theoretical predictions