Study of Heat and Mass transfer in Superfluid Helium in Confined Geometries - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Study of Heat and Mass transfer in Superfluid Helium in Confined Geometries

Etude des transferts de masse et de chaleur en hélium superfluide en milieux confinés

Résumé

Particle accelerators play a central role in the advancement of fundamental physics research. In circular accelerators such as the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, the trajectory of the particle beams must be bent with magnetic fields. For this purpose, the LHC utilizes superconducting dipole magnets, which allow the electric current to flow without resistance. A cooling system of superfluid helium (He II) ensures the superconducting state by maintaining the magnets at temperatures below 2 K. However, the confined structures surrounding the dipole coils hinder the cooling process. The metal collars, which restrict the dipoles to counter the electromagnetic forces, are spaced 200 microns apart from each other. If the magnets lose the superconductive properties (i.e., during a magnet quench), the energy dissipated is such that helium undergoes drastic thermodynamic changes, causing the failure of the machine and severe damages to its components. The present work focuses on the thermal phenomena occurring at this level of geometrical confinement in He II when subject to high heat fluxes. Experiments were conducted in a cryostat with pressurized He II at various bath temperatures. The tests consisted of applying a clamped heat flux in rectangular cross-section channels with high aspect ratios, resembling the gap between the collars. Numerous tests were carried out with different channel orientations and thicknesses. A thermo-fluid dynamic numerical model was developed to simulate the heat and mass transfer in He II. Novel dimensionless numbers were derived to validate the assumption at the basis of the single-fluid governing equations implemented in the model. The numerical model, which is based on the finite volume method, is capable of simulating transient conjugate heat transfer events in multi-dimensional geometries. Moreover, a novel algorithm was conceptualized to deal with the second and first-order phase transitions that helium undergoes above the critical heat fluxes. At atmospheric pressure, the second-order one (i.e., lambda transition) is associated with the threshold of the superfluid state, whereas the first-order one relates liquid helium to helium vapour. The experiments in He II resulted in reliable temperature measurements with a precision uncertainty of around 0.12 %. The superfluid helium model was successfully validated against experimental data from both the literature and this work with a relative error around 1 %. The experiments that involved multiple helium phases revealed a significant dependence of the proportion between the different phases on the channel thickness and orientation, as well as the initial temperature of the fluid. The speed at which the liquid helium-He II interface travels appears to be highly affected by the presence of a helium vapour film. At high heat fluxes, the phase change fronts propagate at a similar rate, indicating a strong correlation between the two. The phase transitions algorithm was tested at moderate heat fluxes in both subcooled liquid helium and He II. The comparison with the channel experiments showed satisfactory agreement in the temperature profiles and propagation of the phase change fronts with a relative error around 10 %. The computational model may constitute the basis of further development of the code for the simulation of events at greater pressure and temperature variations.
Les accélérateurs de particules jouent un rôle central dans l'avancement de la recherche en physique fondamentale. Dans les accélérateurs circulaires tels que le Large Hadron Collider (LHC) du CERN, la trajectoire des faisceaux de particules doit être courbée par des champs magnétiques. À cette fin, le LHC utilise des aimants dipolaires supraconducteurs, qui permettent au courant électrique de circuler sans résistance. Un système de refroidissement à l'hélium superfluide (He II) assure l'état supraconducteur en maintenant les aimants à des températures inférieures à 2 K. Toutefois, les structures confinées qui entourent les bobines dipôlaires entravent le processus de refroidissement. Les colliers métalliques, qui permettent de contrer les forces électromagnétiques, sont espacés de 200 microns les uns des autres. Si les aimants perdent leurs propriétés supraconductrices (par exemple, lors d'un quench de l'aimant), l'énergie dissipée est telle que l'hélium subit des changements thermodynamiques drastiques, pouvant entraîner la défaillance de la machine et de graves dommages à ses composants. Le présent travail se concentre sur les phénomènes thermiques en He II se produisant à ce niveau de confinement géométrique lorsqu'il est soumis à des flux de chaleur élevés. Des expériences ont été menées dans un cryostat en He II pressurisé à différentes températures de bain. Les essais ont consisté à appliquer un flux de chaleur de confinement dans des canaux de section rectangulaire avec des rapports d'aspect élevés, ressemblant à l'espace entre les colliers métalliques. De nombreux essais ont été réalisés avec différentes orientations et épaisseurs de canaux. Un modèle numérique dynamique thermo-fluide a été développé pour simuler le transfert de chaleur et de masse dans l'He II. De nouveaux nombres sans dimension ont été dérivés pour valider l'hypothèse à la base des équations gouvernantes monofluide mises en œuvre dans le modèle. Le modèle numérique, qui est basé sur la méthode des volumes finis, est capable de simuler des événements transitoires de transfert de chaleur conjugués dans des géométries multidimensionnelles. De plus, un nouvel algorithme a été conceptualisé pour traiter les transitions de phase de second et premier ordre que l'hélium subit au-dessus des flux de chaleur critiques. À la pression atmosphérique, la transition de second ordre (c'est-à-dire la transition lambda) est associée au seuil de l'état superfluide, tandis que la transition de premier ordre relie l'hélium liquide à la vapeur d'hélium. Les expériences en He II ont permis d'obtenir des mesures de température fiables avec une incertitude de précision d'environ 0.12 %. Le modèle de l'hélium superfluide a été validé avec succès par rapport aux données expérimentales de la littérature et de ce travail avec une erreur relative d'environ 1 %. Les expériences impliquant plusieurs phases de l'hélium ont révélé une dépendance significative de la proportion entre les différentes phases sur l'épaisseur et l'orientation du canal, ainsi que sur la température initiale du fluide. La vitesse à laquelle l'interface hélium liquide-He II se déplace semble être fortement affectée par la présence d'un film de vapeur d'hélium. À des flux de chaleur élevés, les fronts de changement de phase se propagent à une vitesse similaire, indiquant une forte corrélation entre les deux. L'algorithme des transitions de phase a été testé à des flux de chaleur modérés dans de l'hélium liquide sous-refroidi et de l'He II. La comparaison avec les expériences en canal a montré un accord satisfaisant dans les profils de température et la propagation des fronts de changement de phase avec une erreur relative d'environ 10 %. Le modèle de calcul peut constituer la base d'un développement ultérieur du code pour la simulation d'événements à des variations de pression et de température plus importantes.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03767523 , version 1 (02-09-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03767523 , version 1

Citer

Andrea Vitrano. Study of Heat and Mass transfer in Superfluid Helium in Confined Geometries. Fluid Dynamics [physics.flu-dyn]. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASP057⟩. ⟨tel-03767523⟩
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