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Magnéto-hydrodynamique

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Description

La magnétohydrodynamique (MHD) étudie le comportement des fluides conducteurs d’électricité en présence de champs électromagnétiques.

Le LNCMI développe la MHD des métaux liquides et celles des milieux transparents ces derniers permettant des observations in-situ par des méthodes optiques. Cette recherche permet d’aborder plusieurs questions clés, notamment celle de la nature des régimes hydrodynamiques turbulents soumis à des champs magnétiques. La turbulence est au cœur d’une grande variété de processus naturels et industriels. La dynamique de la turbulence est caractérisée par des fluctuations intenses et erratiques sur une large gamme d’échelles de longueur, ce qui les rend extrêmement difficiles à prédire. Notre compréhension limitée de cette dynamique restreint le développement de modèles efficaces en terme de calcul et empêche de progresser sur certains des plus grands défis de la physique et de l’ingénierie: comment le mouvement du fer liquide dans le noyau de la Terre entretient-il le champ magnétique de la Terre ? Quelle est la conception optimale des échangeurs de chaleur à métal liquide pour extraire efficacement la chaleur de la fusion nucléaire ou des futurs réacteurs rapides à sodium/sels fondus ? Comment s’opèrent les transferts d’énergie dans le coeur des étoiles ?
Ces questions essentielles exigent une compréhension approfondie de la manière dont la turbulence est influencée par les forces de Lorentz qui se manifestent dans les fluides conducteurs soumis à des champs magnétiques.

Membres de l’équipe

Liste des collaborateurs :

  • Alban Potherat, Professeur à l’Université de Coventry
  • Suzanne Horn, Professeur à l’Université de Coventry
  • Samy Lalloz, Professeur assistant à l’Université de Coventry (doctorat en ex-cotutelle de 2021 à 2024)
  • Laurent Davoust, Professeur à Grenoble-INP
  • Jürgen Spitznagel, Ingénieur au LNCMI
  • Martin Holdsworth, Ingénieur à l’Université de Coventry

Techniques

L’acivité de MHD sous champs magnétiques intenses est le fruit d’une collaboration de plus de 10 ans entre le groupe de mécanique des fluides de l’Université de Coventry (Prof. A. Potherat & Prof. S. Horn), le groupe MHD du laboratoire SIMAP, G-INP (Prof. L. Davoust) et le LNCMI (Dr F. Debray, J. Spitznagel).

The FLOWCUBE Experiment

Les expériences FLOWCUBE utilisent du métal liquide et se concentrent sur l’étude de la turbulence et des ondes magnétiques spécifiques, appelées ondes d’Alfven. Dans cette expérience, la cartographie de l’écoulement est reconstruite à partir de mesures de tension à la paroi combinées, si nécessaire, à des sondages ultrasoniques.

The FLOWCUBE Experiment for 2D/3D turbulence, Alfven waves

J X B drive a turbulent InGaSn flow diagnosed

  • with electrical probes at the boundaries
  • with ultrasound velocimetry along B.

Collaborateurs principaux :

Prof. A. Pothérat & S. Lalloz (Coventry Univ)
Prof. L. Davoust (SIMAP Grenoble-INP)
F. Debray & J. Spitznagel (LNCMI)

The LEE experiments

La Little Earth Experiment (LEE) utilise un milieu conducteur transparent et vise à modéliser la magnéto-convection complexe qui se produit dans le noyau interne de la Terre (et des planètes).

Une question cruciale pour le développement d’une telle science est la disponibilité de champs magnétiques élevés dans de grands volumes afin d’observer les phénomènes sur une large gamme d’échelles de longueur pour permettre l’analyse spectrale. Le LNCMI-Grenoble est aujourd’hui le seul endroit au monde où des champs magnétiques supérieurs à 10 teslas sont mis à la disposition des chercheurs dans une configuration de grand diamètre (plus de 350 mm).

The LEE Experiments for Magnetoconvection in the Earth core

A half sphere filled with acid is rotating inside the magnet PIV is used to obtain the velocity field

Collaborateurs principaux :

Prof. A. Pothérat, Prof . S. Horn, D. Keogh, M. Holdsworth (Coventry Univ)

F. Debray, J. Spitznagel, R. Pankow (LNCMI)

Publications

Publications selectionnées

Quatre publications clés :

Alfvén waves at low magnetic Reynolds number: transitions between diffusion, dispersive Alfvén waves and nonlinear propagation. Journal of Fluid Mechanics, 2025, 1003, pp.A19.

⟨10.1017/jfm.2024.1165⟩. ⟨hal-04909131⟩

 

Magnetic Taylor-Proudman Constraint Explains Flows into the Tangent Cylinder. Physical Review Letters, 2024,

⟨10.1103/PhysRevLett.133.184101?_gl=1*1qah8v5*_ga*MTU1NDM3MTY1Ni4xNzI3NzcyNzIx*_ga_ZS5V2B2DR1*MTczOTQ0MTc3Ni43LjEuMTczOTQ0MTkwNy4wLjAuOTk2OTA5NjEz⟩. ⟨hal-04945388⟩

Inverse and Direct Energy Cascades in Three-Dimensional Magnetohydrodynamic Turbulence at Low Magnetic Reynolds Number. Physical Review Letters, 2018, 120 (22), ⟨10.1103/PhysRevLett.120.224502⟩. ⟨hal-01897904⟩

 

Experimental evidence of Alfvén wave propagation in a Gallium alloy. Physics of Fluids, 2011, 23 (9),

pp.096601. ⟨10.1063/1.3633090⟩. ⟨hal-00602640v2⟩