Blanc Inter II SIMI 4 - Blanc International II - SIMI 4 - Physique

Expériences de convection avec chauffage interne généré par micro-ondes – applications à la dynamique terrestre – TERRA-MWH

Le fluide est chauffé uniformément dans le volume par le dispositif à micro-ondes avec une puissance par unité de volume de 10 to 70 kW/m3; la surface haute de la cuve est maintenue à une température constante et le bas de la cuve est isolant. Un plan laser illumine une section de la cuve et la lumière diffusée et enregistrée par une camera CCD. Le plan laser balaie la cuve sur la moitié de sa profondeur. Nous utilisons des cristaux liquides pour la détermination non invasive du champ de température. En lumière monochromatique chaque type de cristaux liquides produit une ligne brillante correspondant à une isotherme. Le fluide est également ensemencé par des petites sphères qui peuvent être considérées comme des traceurs passifs. La prise d’image se fait à des intervalles réguliers. Le champ de vitesse est calculé par corrélation entre images successives en utilisant le logiciel DaVis de LaVision. La même caméra enregistre les images pour les deux champs (température, vitesse). La structure thermique et le champ de vitesse nous permettent de caractériser la géométrie du régime convectif et son évolution thermique.
Les simulations numériques ont été réalisées avec le code Stag-3D en géométrie cartésienne dans les mêmes conditions (conditions aux limites, rapport d’aspect, dépendance de la température des paramètres du fluide et puissance de chauffage).

1) Chauffage homogène par micro-ondes dans le volume de la cuve.
Nous avons conçu un homogénéisateur de champs de microondes pour assurer l’uniformité du chauffage volumique. (Proceeding 2)
2) Optimisation et stabilité de la puissance du chauffage
Après les premières expériences de convection, nous avons constaté que la puissance du chauffage diminuait dans le temps pour des fortes puissances imposées et pour des durées de fonctionnement supérieures à 30-45min.
Le module électronique de commande a été repensé pour pallier cette dérive. Le guide d’onde a été modifié pour réduire la partie réfléchie vers le magnétron. Le circuit de microondes (magnétron, guide d’onde et antenne) a été thermostaté. La stabilité du fonctionnement a été testée et confirmée pour des durées de l’ordre de 6 heures. (Proceeding 3, demande de brevet 1)
3) Accord entre les résultats expérimentaux et numériques (Proceeding 4)
Après les modifications du prototype (Résultats 1 et 2), nous avons commencé une étude systématique de la convection avec chauffage interne en changeant les propriétés du fluide et la puissance de chauffe. Nous avons comparé les résultats expérimentaux aux simulations numériques réalisées dans les même conditions que l’expérience (propriétés du fluide, conditions aux limites et facteur d’aspect géométrique). Un exemple est présenté dans l'illustration ci-dessous. C’est la première fois que ce type de comparaison est possible. L’accord obtenu entre les résultats expérimentaux et numériques valide notre approche de modélisation de la convection mantellique avec chauffage interne par absorption de micro-ondes.

L’accord obtenu entre les résultats expérimentaux et numériques montrent que nous avons réussi a relever plusieurs défis technologiques liés au chauffage uniforme d’un fluide et à la capacité de mesurer les champs de température et vitesse du fluide.
Ceci constitue une étape préliminaire indispensable qui nous permettra d’introduire d’autres complexités comme le chauffage par le bas (pour simuler le flux de température venant du noyau) et les hétérogénéités compositionnelles (pour simuler l’existence de réservoirs enrichis/appauvris en éléments radioactifs)
L’évolution thermique des planètes est modélisée en utilisant des lois d’échelle reliant le flux en surface à la vigueur de la convection exprimée par le nombre de Rayleigh. Ces lois d’échelle, déterminées expérimentalement, montrent une large variabilité. Notre approche nous aidera à mieux contraindre l’histoire thermique de la Terre et des autres planètes telluriques.

Proceedings
1. E. Surducan, V. Surducan, C. Neamtu, A. Limare, D. Dabala, “Characterization of the microwaves levels in the proximity of one scientific microwaves power experimental setup for the user biological protection purpose” , the 8 th INTERN

Résumé de soumission

Nous proposons d’étudier la convection dans le manteau terrestre en nous basant sur des expériences analogiques originales incorporant les processus de chauffage interne par absorption de microondes.
L’évolution thermique des planètes telluriques est contrôlée par l’efficacité de la convection de leur manteau solide qui elle même dépend des sources de chaleur, d’une part par le bas, et d’autre part en volume par chauffage interne dû à la désintégration radioactive de l'uranium, du thorium et du potassium quarante. Alors que le chauffage interne par radioactivité représente la plus grande source de chaleur dans la Terre, il reste peu étudié par rapport au chauffage par le bas.
Le chauffage par le bas est en effet une condition aux limites bien définie et plus facile à contrôler, à la fois dans les modèles numériques et analogiques. Inversement, le chauffage interne représente une caractéristique complexe du système convectif en raison de sa variabilité spatiale et temporelle. Au cours du temps, alors que le corps convectif se refroidit par convection, les éléments radioactifs se désintègrent et impose une deuxième échelle de temps à l’évolution du système. De plus, dans un système chimiquement hétérogène comme la Terre, les éléments radioactifs sont redistribués au cours du temps en fonction du degré de mélange entre les différents réservoirs mantelliques, et contrôlent en retour la dynamique de ces réservoirs (notamment le manteau inférieur et supérieur). Les méthodes numériques permettant de prendre en compte de tels couplages spatio-temporels entre évolution chimique et thermique sont particulièrement complexes et ne permettent d’étudier qu’une partie des régimes dynamiques possibles. Les méthodes analogiques peuvent permettre d’explorer beaucoup plus exhaustivement l’espace des paramètres; le but de ce projet est de développer de telles méthodes.
Nous proposons de réaliser des expériences de convection dans le cas le plus général incorporant chauffage par le bas et refroidissement par le haut, et en présence de chauffage interne. Nous proposons plusieurs géométries, les premières classiques permettant d’obtenir les lois génériques d’évolution thermique du système convectif, et les dernières plus spécifiques, dédiées à une question relative à la convection du manteau terrestre. L’originalité première de notre approche analogique sera de reproduire le chauffage interne par l’absorption de microondes. Le chauffage par microondes offre une méthode unique pour la production sans contact d’une source de chaleur, soit très localisée, soit étendue, par un choix judicieux de l’antenne et de la séquence d’excitation et des propriétés d’absorption sélective des fluides utilisés. Notre but technique est ainsi de réaliser et tester un prototype de chauffage par micro-ondes dédié aux expériences de convection. Ce dispositif inclura un générateur de microondes de puissance donnée et une antenne sur laquelle se propage la radiation microondes dans le volume de la probe. Étant donné la complexité du processus de chauffage, la puissance de la radiation microondes et la séquence d’excitation doivent être accordées finement. La flexibilité du protocole mis en œuvre via l’utilisation des microondes nous permettra de généraliser l’application de cette méthode – pour l’instant réservée au monde médical – à des problématiques environnementales plus vastes et intéressant la dynamique de grands réservoirs liquides chauffés en volume.

Coordinateur du projet

INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS

Aide de l'ANR 233 844 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2011 - 36 Mois

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