Ce travail de thèse traite de la simulation numérique directe (DNS) d'écoulements magnétoconvectifs en lien avec les essais textsc{Vulcano} du CEA de Cadarache.
Ils ont pour but de reproduire en laboratoire le comportement de fluides résultant des accidents nucléaires. Le chauffage par induction électromagnétique de ces fluides permet de simuler en laboratoire la puissance volumique des désintégrations nucléaires. Il existe cependant d'une part un couplage parasite entre l'écoulement fluide et le champ magnétique (force de Lorentz), et d'autre part le chauffage volumique se concentre dans l'épaisseur de peau alors qu'il est homogène dans un cas réel.
On cherchera dans cette thèse à caractériser par DNS l'effet d'un champ magnétique sur les écoulements de convection naturelle à travers la configuration classique de la couche liquide horizontale chauffée par le bas.
En premier lieu, les paramètres sans dimension pertinents et les équations sont présentés. Trois instabilités magnétoconvectives sont alors considérées.
Premièrement la convection naturelle est caractérisée lorsqu'on chauffe un métal liquide en imposant la différence de température entre deux plaques horizontales et qu'on impose un champ magnétique DC vertical.
Ici la force de Lorentz stabilise l'écoulement, qui est caractérisé en fonction du forçage thermique et des effets de force de Lorentz.
Une deuxième configuration consiste à imposer un forçage harmonique d'un champ magnétique horizontal AC à la paroi basse de la couche de métal liquide.
Dans cette situation, les courants induits sont dissipés sous forme thermique par effet Joule directement à l'intérieur de la couche fluide, sur l'épaisseur de peau caractéristique. Pour ces deux situations, les temps caractéristiques de croissance de l'instabilité convective sont déterminés par analyse de stabilité linéaire pour rendre compte de la déstabilisation du fluide initialement au repos. Ces deux configurations sont également décrites en régime stationnaire. On montre que l'amplitude du champ magnétique a un effet marqué sur les structures en champ DC. Au contraire, en champ AC, c'est la puissance déposée qui est le paramètre déterminant, et l'épaisseur de peau n'a qu'un rôle limité. Enfin, la dernière configuration étudiée est le chauffage de particules métalliques baignant dans un fluide transparent au champ électromagnétique. La chaleur que les particules transmettent au fluide est suffisante pour induire des mouvements convectifs qui à leur tour transportent les particules. Les régimes d'écoulement identifiés dépendent de la puissance transmise au fluide.
Une expérience préliminaire de convection en eau a également été réalisée afin de valider une méthode de mesure acoustique pour des expériences futures. |
This doctoral work deals with the direct numerical simulation (DNS) of magnetoconvective flows in relation with the textsc{Vulcano} tests at CEA Cadarache.
These tests aim at reproducing the fluid flows resulting from a severe nuclear accident. Electromagnetic induction heating of such fluids mimics in the laboratory the volume power of nuclear disintegrations.
There is on the one hand ,a parasitic coupling between the flow and the electromagnetic field (Lorentz force), and on the other hand, a preferential heating in the so-called skin layer, although the power deposition is homogeneous in a real case.
In this work, we seek to caracterize with DNS the magnetic field effects on natural convection flows, based on the canonical configuration of the horizontal layer heated from below.
The relevant non dimensional parameters and equations are introduced in the first place. Three different magnetoconvective instabilities are then considered.
First, natural convection is caracterized in the presence of a vertical DC magnetic field, when a temperature difference is imposed between two horizontal plates.
Here the Lorentz force stabilizes the flow which is described as a function of the thermal forcing and the magnetic effects.
In the second configuration, a horizontal harmonic magnetic field is impressed at the bottom of the liquid metal layer.
Here, the induced eddy currents are dissipated into thermal energy through the Joule effect within the caracteristic skin depth.
In these two configurations, the caracteristic times of the instability growth are determined by linear stability analysis.
The two instabilities are described in the stationary regime.
It is shown that the magnetic field amplitude has a pronounced effect on the flow structures in DC fields. On the opposite, in AC fields, it is the total deposited power is the governing parameter and the skin depth has only a limited role.
Finally, the induction heating of metallic particles immersed in a transparent fluid. The heat which is transmitted to the fluid is sufficient to induce convection and particle transport.
Flow regimes are identified and depend on the input power.
A preliminary experiment is presented in order to validate an acoustic velocimetry method for future magnetohydrodynamic experiments. |