Turbulence, transport and thermoelectricity in liquid metals
Turbulence, transport et thermoélectricité dans les métaux liquides
Résumé
This thesis focuses on the experimental study of the flow of liquid metals in the presence of electromagnetic forcing, i.e. subjected to both a magnetic field and electric currents. In particular, it explores two new limits of magnetohydrodynamics. The first aspect relates to the generation of Keplerian turbulence in the presence of particularly intense electric currents, while the second part looks for the first time at the generation of a thermoelectric effect at the interface between two liquid metals. These two aspects have both industrial and fundamental applications. The first part of the thesis focuses on the KEPLER experiment, which consists of a thin disc subjected to a combination of a vertical magnetic field and intense radial electric currents. This device enables us to demonstrate a new regime characterised by turbulent flow associated with a Keplerian rotation profile. In this regime, the flow exhibits interesting quasi-2D turbulence properties and also provides an experimental model of the accretion discs. We have thus demonstrated the existence of a mechanism for the non-dissipative transport of angular momentum by turbulence, making it possible to explain the accretion rates observed in astrophysical discs. The second part looks at the generation of a thermoelectric effect in liquid metals. The GALLIMERT experimental device involves a two-phase mixture of Mercury and Gallium. An electric current is generated when the interface between the two liquid metals is subjected to a temperature gradient, and in the presence of a magnetic field, these currents produce pumping of the fluids. For certain parameters, an instability giving rise to an oscillating regime is observed. These new results have direct applications for liquid metal batteries.
Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de l'écoulement de métaux liquides en présence de forçage électromagnétique, c'est-à-dire soumis à la fois à un champ magnétique et à des courants électriques. Elle explore en particulier deux nouvelles limites de la magnétohydrodynamique. Le premier aspect est lié à la génération de turbulence képlerienne en présence de courants électriques particulièrement intenses, tandis que la seconde partie s’intéresse pour la première fois à la génération d’un effet thermoélectrique à l’interface entre deux métaux liquides. Ces deux aspects ont des applications à la fois industrielles et fondamentales. La première partie de la thèse se concentre sur l'expérience KEPLER, constituée d'un disque fin soumis à une combinaison de champ magnétique vertical et de courants électriques radiaux intenses. Ce dispositif nous permet de mettre en évidence un nouveau régime caractérisé par un écoulement turbulent associé à un profil de rotation képlérienne. Dans ce régime, l'écoulement présente des propriétés de turbulence quasi 2D intéressantes et fournit par ailleurs une modélisation expérimentale des disques d’accrétion. Nous avons ainsi mis en évidence l’existence d’un mécanisme de transport non-dissipatif du moment cinétique par la turbulence, permettant d’expliquer les taux d’accrétion observés dans les disques astrophysiques. Dans une seconde partie, on s’intéresse à la génération d’un effet thermoélectrique dans les métaux liquides. Le dispositif expérimental GALLIMERT implique un mélange diphasique de Mercure et de Gallium. Un courant électrique est engendré lorsque l’interface entre les deux métaux liquides est soumise à un gradient de température, et en présence d’un champ magnétique, ces courants produisent un pompage des fluides. Pour certains paramètres, une instabilité donnant lieu à un régime oscillant est observée. Ces nouveaux résultats présentent des applications directes pour les batteries à métaux liquides.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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