Expériences de gradient de densité dans l'hélium liquide cryogénique – CryoGrad

Notre approche s'appuie sur un cryostat en verre, afin d'avoir un accès optique complet. Nous adaptons des méthodes de visualisation non-invasives, notamment l'ombroscopie et la strioscopie synthétique. L'exploitation quantitative des images s'appuie sur des expériences modèles à température ambiante où les résultats peuvent être confrontés avec d'autres types de mesures (comme la PIV).
Le gradient de densité est obtenu à l'aide d'un gradient de température. La valeur élevée du coefficient d'expansion thermique dans l'hélium à basse température permet d'obtenir des gradients importants, et ainsi atteindre des fréquences de flottabilité semblable aux systèmes naturels, dans un fluide plus de 50 fois moins visqueux que l'eau, donc permettant d'atteindre des nombres de Reynolds élevés.

Les premières expériences d'ombroscopie et de schlieren ont été menées, ce qui a permis de vérifier la sensibilité de ces techniques dans l'hélium. Elles ont permis la visualisation de panaches turbulents, et le suivi du gradient de densité dans le bain d'hélium sur-refroidi.

Nous allons étudier quantitativement les panaches et les thermiques dans un bain homogène ou stratifié, et construire une petite cellule de Rayleigh-Bénard.

Belkadi et al, soumis à JFM. hal.archives-ouvertes.fr/hal-02329929

L'objectif de ce projet est d'étudier la dynamique d'écoulements dans lesquels les différences de densité jouent un rôle important. Pour cela, nous adapterons la technique de "strioscopie synthétique", bien connue au laboratoire pour la visualisation de panaches et pour l'étude des ondes internes, au cas de l'hélium liquide. Il s'agit d'une version moderne de la strioscopie classique, dans laquelle on fait l'image d'un motif de points aléatoires à travers la couche de fluide d'intérêt. Ceci permet une exploitation quantitative beaucoup plus simplement. Comme il s'agit de mesurer un déplacement, et non plus une intensité lumineuse, la sensibilité peut être augmentée en modifiant la distance entre le motif et la région d'intérêt, et en utilisant une caméra à forte densité de pixels. Cela permettra une mesure du champ de température sans précédent dans l'hélium cryogénique.

La motivation est la mise en place d'expériences modèles pour étudier des écoulements dans lesquels la flottabilité joue un rôle majeur. Nous utiliserons des chauffages régulés afin de forcer des gradients de température (et donc de densité) dans la cellule expérimentale.

Un gradient instable conduit à de la convection thermique turbulente, dans une gamme de paramètres complémentaire à celle des expériences dans l'eau et dans l'air, et d'une façon totalement nouvelle par rapport aux cellules de convection cryogéniques existantes, car ici conçue pour l'imagerie. C'est très différent des cellules de Rayleigh-Bénard cryogéniques traditionnelles, conçues pour des mesures de transfert thermique fines et qui n'ont pas d'accès optique. Notre intention est de transposer le point de vue de mécaniciens des fluides qui a été fructueux pour les expériences à température ambiante.

Un gradient stable permet de produire des ondes de gravité internes, avec une dissipation bien plus faible que dans l'eau, ce qui permettra des expériences modèles nouvelles, bien plus proches des conditions océaniques. Cela n'a jamais été fait dans l'hélium cryogénique, mais cela est possible dans notre laboratoire par la collaboration d'experts en ondes internes, habitués aux expériences en eau salée, et d'expérimentateurs qui ont de l'expérience avec l'hydrodynamique cryogénique.

Le développement d'expériences à basse température à Lyon renforcera notre engagement au sein des collaborations nationales sur l'hydrodynamique cryogénique. En effet, nous travaillons avec nos partenaires dans des grandes infrastructures à Grenoble (Institut Néel et CEA Grenoble) et au CERN, et nous continuerons à le faire. Les expériences proposées dans ce projet sont différentes de celles qui sont menées dans ces grands centres, en terme d'échelle et de méthodologie. Elles sont aussi complémentaires avec les expériences que nous menons à température ambiante et que nous continuerons aussi à développer. À long terme, les expériences à basse température à Lyon permettront d'augmenter notre capacité à contribuer à ces grands projets et donc de pérenniser la collaboration privilégiée entre notre laboratoire et les centres grenoblois.