Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Écoulements produits par un champ magnétique : de l’industrie aux systèmes astrophysiques.

Christophe Gissinger

Laboratoire de Physique de l’École Normale Supérieure (LPENS), Paris.

La conversion d’énergie électromagnétique en énergie cinétique par un fluide conducteur de l’électricité est un phénomène omniprésent que l’on trouve dans plusieurs systèmes naturels ainsi que dans de nombreuses applications industrielles. Malgré l’importance de ces applications, plusieurs aspects des écoulements magnétohydrodynamiques restent encore mal compris. Un problème majeur consiste à identifier les mécanismes qui limitent l’efficacité maximale de la transformation d’énergie magnétique en énergie cinétique en présence de turbulence. Ce rendement est en effet systématiquement limité par l’apparition d’instabilités dans l’écoulement, dont l’origine reste très mal comprise.

Au cours de ce séminaire, je décrirai une expérience de laboratoire dans laquelle un métal liquide est entraîné dans un canal annulaire par un champ magnétique sinusoïdal propagatif. Plusieurs résultats sont obtenus sur le rendement maximal de cette transformation d’énergie, les processus dissipatifs au sein de l’écoulement, ou encore l’apparition d’instabilités à grande échelle.

Je présenterai ensuite des simulations numériques décrivant deux exemples de tels écoulements entrainés par forçage magnétique : les pompes électromagnétiques utilisées pour le refroidissement secondaire des réacteurs nucléaires, et les océans souterrains des lunes de Jupiter. Bien qu’a priori différents, nous verrons que ces deux systèmes correspondent en fait au même problème, pour lequel il est possible de faire plusieurs prédictions.

Electromagnetically-driven flows : from industrial applications to astrophysical systems

The conversion of electromagnetic energy into kinetic energy by an electrically conducting fluid is a ubiquitous phenomenon that can be found in several natural systems as well as industrial applications. Despite the importance of these applications, several aspects of magnetohydrodynamic flows still remain poorly understood. One major problem is to identify the mechanisms that limit the maximum efficiency of magnetic to kinetic energy transformation in the presence of turbulence. Interestingly, this efficiency seems to be always limited by large scale instabilities, and the origin itself of such flow instabilities is not fully understood.

During this seminar, I will describe a laboratory experiment in which a liquid metal is driven in an annular channel by a traveling sinusoidal magnetic field. Several results are obtained on the maximum efficiency of this energy transformation, the dissipative processes within the flow, or the appearance of large-scale instabilities.

I will then present numerical simulations describing two examples of such magnetically driven flows : electromagnetic pumps used for secondary cooling of nuclear reactors, and the subsurface oceans of Jupiter’s moons. Although a priori different, I will show that these two systems actually correspond to the same problem, for which it is possible to make several predictions.