Description

Les pompes électromagnétiques (PEM) assurent la mise en mouvement de métaux liquides conducteurs sans contact mécanique, par interaction entre des courants induits dans le fluide et une induction magnétique variable dans le temps et l’espace. Dépourvues de pièces mobiles, elles offrent une excellente étanchéité, une faible sensibilité à la cavitation et des besoins de maintenance réduits, ce qui les rend particulièrement adaptées aux applications impliquant des caloporteurs conducteurs, notamment dans le nucléaire civil (réacteurs rapides de génération IV, ITER), ainsi que dans les domaines spatial et du solaire thermodynamique.

Le fonctionnement des PEM repose sur des écoulements magnétohydrodynamiques (MHD) complexes, souvent instationnaires et susceptibles de devenir turbulents. Dans ces régimes, la modélisation des couches limites MHD constitue un verrou scientifique majeur, les modèles de turbulence classiques (RANS, LES) n’étant pas pleinement adaptés. Une description imprécise des effets MHD peut conduire à des erreurs significatives dans la prédiction des performances des PEM.

Cette thèse vise à étudier ces écoulements par simulation numérique directe (DNS), permettant une résolution précise de toutes les échelles de la turbulence sans recours à des modèles de fermeture. Les calculs porteront sur une géométrie de canal rectiligne simplifiée mais représentative d’une PEM, équipée d’actuateurs électromagnétiques réalistes et de conditions aux limites périodiques. Les simulations seront réalisées à l’aide du code DNS MULTIFAST, développé au SIMaP, dont la formulation sera enrichie pour prendre en compte des champs magnétiques non uniformes et instationnaires.

Les résultats DNS seront comparés à des simulations RANS afin d’identifier les domaines de validité des modèles de turbulence, en particulier concernant les seuils d’instabilité et les mécanismes de transition. Ils seront également validés expérimentalement sur le dispositif FLOCON du SIMaP, utilisant un écoulement de galinstan et des techniques de mesure par ultrasons ou potentiels électriques. Ce travail contribuera à améliorer la compréhension et la modélisation des écoulements MHD turbulents dans les PEM.

Compétences requises

Le ou la candidat.e devra avoir de très bonnes connaissances dans le domaine de la mécanique des fluides et autres phénomènes de transport (transfert de chaleur et de matière). Une bonne connaissance d’un langage de programmation (Fortran, C ou C++) sera aussi nécessaire. Une connaissance approfondie dans le domaine de la turbulence ou les méthodes expérimentales n’est pas obligatoire mais saura être appréciée.

Bibliographie

[1] Yamamoto Y., Kunugi T., Satake S. & Smolentsev S. (2008) DNS and k-epsilon model simulation of MHD turbulent channel flows with heat transfer. Fusion Engineering and Design, vol.43 pp. 1309-1312.
[2] Lee D. & Choi H. (2001) Magnetohydrodynamic turbulent flow in a channel at low magnetic Reynolds number. Journal of Fluid Mechanics, vol.439 pp. 367-394.
[3] Doche, O., Tardu, S., Schillings, J., & Capogna, A. (2021). Transportation and coherent structures in MHD turbulent channel flow subject to uniform streamwise and spanwise magnetic fields. Physical Review Fluids, 6(9), 094605.https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.6.094605
[4] Capogna A., Doche O., Tardu S., Schillings J. and Davoust L. (2022) Effect of a localized MHD body force on the near-wall turbulence, Magnetohydrodynamics, Volume 58, n°1, pp. 3-9 http://doi.org/10.22364/mhd
[5] Capogna A., Doche O., Schillings J., Davoust L. and Tardu, S. (2023). Influence of streamwise and spanwise wall magnet arrays on near-wall MHD turbulence. Journal of turbulence, 24:5, 173-194.10.1080/14685248.2023.2203497

Mots clés

Magneto-Hydro-Dynamique (MHD), Métal liquide, Écoulement turbulent, Champs magnétiques non uniformes, Simulation Numérique Directe (DNS),, FLOCON (dispositif expérimental MHD )