Dynamique des fluides conducteurs diphasiques à grand nombre de Hartmann et Reynolds magnétique modéré

Dynamics of liquid metal two-phase flow at large Hartmann number and moderate magnetic Reynolds number

• Auteur / Autrice : Adrien Guitton
• Direction : Philippe Tordjeman
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, magnétohydrodynamique, acoustique, énergétique, thermique
• Date : Inscription en doctorat le 26/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : N7 Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT)

Mots clés

Mots clés libres

Métal liquide

Ecoulement diphasique

Magnétohydrodynamique

Champ magnétique

Liquid metal

Two-phase flow

Magnetohydrodynamic

Magnetic field

Résumé

Les écoulements diphasiques de métaux liquides soumis à des champs magnétiques sont rencontrés dans de nombreuses applications : agitation électromagnétique en métallurgie, batteries à base de métal liquide, pompage électromagnétique… Dans ces écoulements, le fluide présente des hétérogénéités de conductivité électrique entre la phase continue et la phase dispersée, qui modifient l’action de la force de Lorentz et génère des structures d’écoulements encore mal comprises. Lorsqu’on applique un champ magnétique AC intense (à grand nombre de Hartmann), plusieurs phénomènes entrent en jeu, principalement liés à la dynamique collective de la phase dispersée, à l’écrantage du champ magnétique par le milieu conducteur, et à la présence de « trous » que les courants de Foucault contournent. Le nombre de Reynolds magnétique, Rem, est un des paramètres clés qui conditionne les régimes d’écoulement sous force de Lorentz. Les écoulements à Rem intermédiaire ont été très peu étudiés, particulièrement pour des fluides diphasiques, bien qu’ils soient rencontrés dans de nombreuses applications industrielles. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre et modéliser la dynamique des écoulements diphasiques sous l’action de la force de Lorentz à Rem modéré (de l’ordre de 0.1 à 10) et à grand nombre de Hartmann (Ha>100). On cherchera à identifier la nature des écoulements lorsque la phase dispersée est formée de bulles de gaz ou de particules conductrices. La démarche repose sur l’étude expérimentale d’écoulements modèles à l’aide de montages existants (boucle diphasique ou cellule de Rayleigh-Bénard). Les champs de vitesse seront mesurés par des techniques acoustiques (UVP) et électromagnétiques du type ECFM (Eddy Current Flow Meter). En parallèle, on cherchera à développer une méthode d’imagerie acoustique afin de caractériser l’évolution de la distribution des phases dispersées sous écoulement. Ces expériences seront analysées à l’aide de modèles théoriques et de simulations numériques.

Liquid metal two-phase flows under magnetic fields are met in several applications: electromagnetic stirring in metallurgy, batteries, electromagnetic pumping… In these flows, the electrical conductivity presents heterogeneities between the continuous and the dispersed phases. These heterogeneities modify the effects of the Lorentz force and produce flow patterns that are still not well understood. In AC magnetic fields (large Hartmann number Ha), these patterns result from the coupling of various phenomena, mainly the screening effect, the presence of holes that the eddy currents do not penetrate, and the collective dynamics of the dispersed phase. The magnetic Reynolds number, Rem, is a key parameter: at high Rem, generally met in geophysics or astrophysics, the magnetic field lines are frozen in the flow (perfect conductor model); when Rem is small, the magnetic field is considered to be unperturbed by the flow. The flows at intermediate Rem have received little attention, although they may be encountered in industrial applications. The thesis aims at a better understanding and modelling of two-phase flows under the action of the Lorentz force at moderate Rem (0.1 to 10) at large Hartmann number (large modulus of the magnetic field, Ha>100). In a first step, we will study the flows when the dispersed phase is made of gas bubbles or conducting particles. The method is based on flow model experiences using already realized set-ups (two-phase loop or Rayleigh-Bénard cell). The velocity fields and the dispersed phase dynamics are measured by acoustic methods (UDV) coupled with electromagnetic techniques (Eddy Current Flow Meter). In parallel, a technique of acoustic imagery will be developed to characterize the distribution of the dispersed phase. These experiences will be analyzed in the frame of theoretical model and numerical simulations.