Convection forcée d'un métal liquide sous champ magnétique alternatif : Simulation numérique et Expérimentation

Forced convection of liquid metal under an alternating magnetic field : Numerical simulation and Experiment

• Auteur / Autrice : Julien Guillou
• Direction : Philippe Tordjeman, Wladimir Bergez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 23/09/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Rieutord
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Tordjeman, Wladimir Bergez, Michel Rieutord, Emmanuel Dormy, Jean Boisson, David Goluskin, Francesca Chilla
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Dormy, Jean Boisson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Effets de la température

Convection de Rayleigh-Bénard

Mots clés libres

Chauffage par induction

Magnétohydrodynamique

DNS

Expérience

Rayleigh-Bénard

Induction heating

Magnetohydrodynamics

DNS

Experiment

Rayleigh-Bénard

Résumé

Le travail mené au cours de cette thèse porte sur l’étude thermo-magnéto-hydrodynamique d’un fluide métallique dans une cellule cylindrique de Rayleigh-Bénard et plongé dans un champ magnétique alternatif produit au moyen d’une bobine. La configuration étudiée permet de réaliser un forçage thermique et dynamique sur le fluide de deux manières différentes. La température est soit imposée grâce aux conditions limites thermiques sur les parois ou par effet Joule dans le but de générer un chauffage volumique. Le fluide est soumis à la fois à la force de flottabilité et à la force électromagnétique de Laplace. Nous avons réalisé des simulations numériques DNS et réalisé la conception d’un banc expérimental opérationnel afin d’étudier l’influence de Ha, Sω, Ra et Da sur le profil de température dans le fluide, la forme de l'écoulement dans la cellule et les coefficients d'échanges aux parois. Nos résultats montrent que dans le régime de convection forcée par la force de Laplace et en présence d’un chauffage pariétal dominant, le fluide dans la cellule s’organise sous la forme de deux tores. Les tores sont chacun à deux températures différentes séparées entre eux par une zone de mélange localisée à mi-hauteur de la cellule. Les résultats expérimentaux et numériques sont complémentaires et concorde entre-eux et valident notre approche physique et l’analyse d’échelle.

This work emphasizes the coupling between thermal, electromagnetism and hydrodynamics inside a cylinder filled with liquid metal. The Rayleigh-Bénard vessel fits inside a coil which generates an alternating magnetic field. We tried to identify and characterize the different convective and temperature regimes. The studied baseline allows us to realize different thermal and dynamic forcing configurations on the fluid. The temperature is either imposed by the thermal boundary conditions on the walls or by Joule heating to generate volumic heating. The liquid is subjected to both the buoyancy and the electromagnetic or Lorentz force. We performed DNS numerical simulations and designed an operational experimental bench to study the influence of Ha, Sω, Ra, and Da on the temperature profile in the fluid, flow shape in the cell, and exchange coefficients at the walls. Our results show that in the regime of convection forced by the Laplace force and in the presence of dominant parietal heating, the fluid in the cell organizes itself in the form of two toroids. The toroids are each at two different temperatures separated by a mixing zone located at the mid-height of the cell. The experimental and numerical results are complementary and consistent, validating our physical approach and the scaling analysis.