Turbulent magnetohydrodynamics in liquid metals
Magnétohydrodynamique turbulente dans les métaux liquides
Résumé
In electrically conducting fluids, the electromagnetic field is coupled with the fluid motion by induction effects. We studied different magnétohydrodynamic phenomena, using two experiments involving turbulent flows of liquid metal. The first mid-sized uses gallium. The second, using sodium, is conducted within the VKS (Von Karman Sodium) collaboration. It has led to the observation of the dynamo effect, namely converting a part of the kinetic energy of the fluid into magnetic energy. We have shown that, depending on forcing conditions, a statistically stationary dynamo, or dynamical regimes of magnetic field can be generated. In particular, polarity reversals similar to those of Earth's magnetic field were observed. Meanwhile, experiment with Gallium has been developed to study the effects of electromagnetic induction by turbulent flows in a more homogeneous and isotropic configuration than in the VKS experiment. Using data from these two experiments, we studied the advection of magnetic field by a turbulent flow and the induced fluctuations. The development of probes measuring electrical potential difference allowed us to further highlight the magnetic braking of a turbulent flow of Gallium by Lorentz force. This mechanism is involved in the saturation of the dynamo instability.
Dans les fluides conducteurs de l'électricité, le champ électromagnétique est couplé au mouvement du fluide par des effets d'induction. Nous avons étudié différents effets magnétohydrodynamiques, à partir de deux expériences impliquant un métal liquide en écoulement turbulent.La première de taille moyenne utilise du Gallium. La seconde, utilisant du sodium, est menée au sein de la collaboration VKS (Von Karman Sodium). Celle-ci a permis d'observer l'effet dynamo, à savoir la conversion d'une part de l'énergie cinétique du fluide en énergie magnétique. Nous avons montré, qu'en fonction des conditions de forçage de l'écoulement, une dynamo statistiquement stationnaire, ou au contraire, des régimes dynamiques du champ magnétique, peuvent être engendrés. En particulier, des renversements de polarité similaires à ceux du champ magnétique terrestre ont été observés. Parallèlement, l'expérience avec du Gallium a été développée pour étudier les effets d'induction sous un champ magnétique appliqué par des écoulements turbulents plus homogènes et isotropes que celui de l'expérience VKS. Plus fondamentalement nous avons étudié, en utilisant les données des deux expériences, l'advection du champ magnétique par un écoulement et la phénoménologie des fluctuations turbulentes du champ induit. La mise au point de sondes de mesure de différence de potentiel électrique nous a permis en plus de mettre en évidence le freinage magnétique d'un écoulement turbulent de Gallium par la force de Laplace. Ce mécanisme intervient pour saturer l'instabilité dynamo.