Turbulence de couche limite à très grand nombre de Reynolds dans l'Hélium cryogénique normal et superfluide – ECOUTURB

Techniquement, l'approche suivie dans le projet consiste à utiliser des disques lisses ou de rugosité contrôlée placés dans de l'hélium cryogénique liquide au dessus (fluide classique) ou en dessous de la température de transition superfluide (la fraction massique de superfluide est une fonction de la température).
L'écoulement sera caractérisé par des mesures globales (spatialement intégrées : couples de frottement total sur les disques, pression à la paroi, et vorticité moyenne) ainsi que par des mesures locales ou presque locales faisant appel à des capteurs miniatures placés dans le volume de l'écoulement (anémomètre à fil microcoque, thermomètre, diffusion acoustique dynamique et atténuation de second son). Les mesures globales de couples sont les plus sensibles à la sous-couche visqueuse; elles nous permettrons de sonder les plus petites échelles de l'écoulement (épaisseur de couche limite) pour lesquelles ont s'attend à des différences significatives entre écoulement classique et écoulement superfluide.
Les objectifs scientifiques auxquels nous souhaitons apporter une réponse expérimentale sont les suivants :
• Le comportement d'une couche limite turbulente à des nombres de Reynolds «atmosphérique« et la façon dont ce type de couche limite évolue vers une fichue limite turbulente en présence d'une turbulence en volume. Ce problème est l'analogue, mais dans un écoulement fermé, du phénomène dit de «la crise de traînée« observé dans les sillages. L'extension à de si grands nombres de Reynolds dans les expériences de laboratoire actuelles n'est pas simple. Notre expérience sera la seule capable d'atteindre de tels régimes de nombre de Reynolds de façon contrôlée;
• Le diagnostique spectral de la vorticité dans une couche limite à très grand nombre de Reynolds;
• Pour chacun des points pré-cités, l'évolution de la couche limite lorsque le fluide devient partiellement superfluide.

En attente

En attente

Aucune

Notre projet concerne l'étude de l'écoulement turbulent de Von Kármán qui se développe entre deux disques contrarotatifs, lisses ou rugueux dans de l'Hélium cryogénique, en phase normale ou superfluide.
Le réfrigérateur de grande puissance du laboratoire INAC-SBT du CEA-Grenoble (dont les 0,4 MW de puissance électrique assurent une puissance de réfrigération de 400 W @ 1,8K) et l'installation SHREK permettent de réaliser des écoulements turbulents de manière contrôlée (conditions stationnaires) avec des disques de grande dimension (80 cm de diamètre), dans une enceinte de 80 cm de hauteur dont les dimensions sont très largement supérieures à celles des systèmes cryogéniques existants. Cette installation expérimentale est la seule au monde capable d'atteindre et de maintenir en conditions stationnaires des nombre de Reynolds jusqu'à 10^8 en Hélium normal ou superfluide. Lorsque les disques d'entrainement du fluide ne sont pas munis de pales le fluide est mis en mouvement sous l'effet du cisaillement de la couche limite contrairement au cas plus habituel dans les écoulements de Von Kármán où le fluide est poussé ou aspiré par les pales (forçage inertiel). Ainsi, la turbulence se développant dans le volume de l'expérience peut être qualifiée de turbulence induite par cisaillement.
Dans cette expérience, nous étudierons la turbulence en volume, les couches limites turbulentes et leur interaction mutuelle. Notre objectif est de perturber mécaniquement les couches limites des deux disques et d'analyser l'effet de ces perturbations sur les couches limites (mesures de couple mécanique) et sur la turbulence en volume (entre les disques). Pour cela, les disques lisses seront remplacés par des disques de rugosité contrôlée permettant de modifier le mécanisme de forçage en introduisant une nouvelle échelle spatiale de forçage fixe et contrôlée.
Grâce à ces différentes configurations d'injection d'énergie mécanique dans l'écoulement, nous serons en mesure d'apporter des réponses à plusieurs questions ouvertes concernant la physique des couches limites et de la turbulence des fluides aux très grands nombres de Reynolds : en premier lieu, avec un fluide classique (Hélium normal) nous explorons la dynamique d'écoulements à des nombres de Reynolds comparables à ceux rencontrés en turbulence atmosphérique; en second lieu, la mesure de la force de traînée exercée sur les disques par le fluide (couple visqueux) est une quantité globale (intégration spatiale sur la surface et l'épaisseur de la couche de cisaillement) caractéristique de la structure et de la dynamique des plus petites échelles de l'écoulement (la sous-couche visqueuse en fluide normal), hors de portée des sondes locales disponibles. À ces échelles, nous nous attendons à observer une différence mesurable entre fluide normal et superfluide, qui n'est pas détectable à plus grande échelle. En choisissant une échelle de rugosité des disques voisine de la distance inter-vortex (lignes de vorticité quantifiées), de nouveaux effets d'hydrodynamique turbulente quantique devraient se manifester, effets qui n'ont jamais été mis en évidence ni étudiés à ce jour.
Dans ces expériences, nous souhaitons réaliser des mesures globales et locales.
Pour les premières, il s'agit de mesures de couple, de pression pariétale et de diffusion acoustique dynamique, ainsi que de mesures à grande échelle par tube de Pitot, anémomètres macroscopiques et anémomètres à second son dans l'Hélium superfluide.
Les techniques de mesure locales sont plus délicates et nécessiteront la poursuite de nos développements en cours de sondes originales comme les fils chauds à l'échelle du micron, les pinces à second son (en He II) donnant accès à la densité locale de lignes de vortex ainsi qu'un nouveau type de sondes locales de vitesse, réalisés par gravure sur Si (salle blanche) appelées anémomètre à cantilever.