Thèse Calculs et Expériences Portant sur des Écoulements Mhd de Métal Liquide Application aux Pompes Électromagnétiques H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés
Direction de la thèse : Olivier DOCHE ORCID 0000000212303338
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-18T23:59:59Les pompes électromagnétiques (PEM) assurent la mise en mouvement de métaux liquides conducteurs sans contact mécanique, par interaction entre des courants induits dans le fluide et une induction magnétique variable dans le temps et l'espace. Dépourvues de pièces mobiles, elles offrent une excellente étanchéité, une faible sensibilité à la cavitation et des besoins de maintenance réduits, ce qui les rend particulièrement adaptées aux applications impliquant des caloporteurs conducteurs, notamment dans le nucléaire civil (réacteurs rapides de génération IV, ITER), ainsi que dans les domaines spatial et du solaire thermodynamique.

Le fonctionnement des PEM repose sur des écoulements magnétohydrodynamiques (MHD) complexes, souvent instationnaires et susceptibles de devenir turbulents. Dans ces régimes, la modélisation des couches limites MHD constitue un verrou scientifique majeur, les modèles de turbulence classiques (RANS, LES) n'étant pas pleinement adaptés. Une description imprécise des effets MHD peut conduire à des erreurs significatives dans la prédiction des performances des PEM.

Cette thèse vise à étudier ces écoulements par simulation numérique directe (DNS), permettant une résolution précise de toutes les échelles de la turbulence sans recours à des modèles de fermeture. Les calculs porteront sur une géométrie de canal rectiligne simplifiée mais représentative d'une PEM, équipée d'actuateurs électromagnétiques réalistes et de conditions aux limites périodiques. Les simulations seront réalisées à l'aide du code DNS MULTIFAST, développé au SIMaP, dont la formulation sera enrichie pour prendre en compte des champs magnétiques non uniformes et instationnaires.

Les résultats DNS seront comparés à des simulations RANS afin d'identifier les domaines de validité des modèles de turbulence, en particulier concernant les seuils d'instabilité et les mécanismes de transition. Ils seront également validés expérimentalement sur le dispositif FLOCON du SIMaP, utilisant un écoulement de galinstan et des techniques de mesure par ultrasons ou potentiels électriques. Ce travail contribuera à améliorer la compréhension et la modélisation des écoulements MHD turbulents dans les PEM.

Les pompes électromagnétiques (PEM) permettent de mettre en mouvement sans contact un métal liquide conducteur de l'électricité. Une induction magnétique dépendante du temps et déphasée dans l'espace est produite par des bobines ceinturant une veine annulaire de métal liquide, laquelle héberge ainsi des densités de courant électrique induites et subit in fine une force de Laplace issue de l'interaction entre celles-ci et l'induction magnétique elle-même. Les PEM ainsi dépourvues de traversée étanche et de pales pour la mise en mouvement du liquide présentent une excellente étanchéité et souvent une sensibilité réduite à la cavitation tout en minimisant l'inventaire en déchets et la maintenance. Elles sont particulièrement adaptées à la mise en mouvement de caloporteurs électro-conducteurs que l'on peut trouver dans des applications du nucléaire civil, telles que certains réacteurs à neutrons rapides de la génération IV (réacteur au sodium par exemple) ou dans le futur réacteur à fusion (ITER, caloporteur Li-Pb), ou encore du spatial ou du solaire thermodynamique.

Le but de cette thèse est de calculer avec grande précision les variables MHD (vitesse, densité de courant et potentiel électriques) par DNS, en géométrie simplifiée, i.e. compatible avec des méthodes spectrales et l'usage de conditions aux limites périodiques. La géométrie choisie d'un canal rectiligne sera cependant suffisamment représentative du fonctionnement et de la géométrie d'une PEM car ses parois supérieure et inférieure seront munies d'actuateurs électromagnétiques distribués de manière réaliste. A noter que la périodicité des conditions aux limites appliquées suivant la largeur du canal reproduira également le caractère axisymétrique d'une géométrie annulaire de PEM. Le code DNS MULTIFAST, développé au SIMaP, sera utilisé en raison de ses capacités à simuler des écoulements MHD en conditions de champs magnétiques uniformes [3] et non uniformes [4,5]. La formulation vitesse-potentiel électrique privilégiée dans MULTIFAST pour décrire un écoulement MHD caractérisé par un faible nombre de Reynolds magnétique sera enrichie afin de prendre en considération l'induction non permanente délivrée par les actuateurs et les courants inductifs qui en découlent. Cette nouvelle formulation devrait permettre de plus facilement rendre compte des conditions aux limites tant dynamiques qu'électromagnétiques sachant qu'en première approximation, le calcul de l'induction magnétique pourra indépendamment être réalisé dans un code aux éléments finis type Comsol Multiphysics, code disponible au SIMaP. Ces calculs DNS pourront être menés en parallèle de calculs en régime turbulent utilisant des lois de fermeture de type RANS, plus accessibles au dimensionnement. L'objectif est d'établir, s'il en existe, des domaines de validité de ces lois de fermeture, en se focalisant par exemple sur la distribution de la vorticité, le comportement spectral de la turbulence ou les seuils de déclenchement des instabilités hydrodynamiques. La capacité à prédire ces seuils et la nature des instabilités sera étudiée avec la plus grande attention car il s'agit là d'un enjeu applicatif de la plus grande importance lorsqu'il faut définir le régime de fonctionnement nominal des PEM.

En ce qui concerne les étapes principales de la thèse, l'écoulement MHD en canal sera donc modélisé numériquement, tout d'abord en régime laminaire puis en régime faiblement turbulent. Le champ magnétique sera d'abord imposé i) en conditions uniformes, pour se comparer à la littérature sur la MHD à faible nombre de Reynolds magnétique, ii) puis en conditions non-uniformes oscillatoires, puis finalement iii) en conditions de champ glissant et oscillatoire.
Les simulations numériques seront validées sur un dispositif expérimental (FLOCON) du SIMaP à finaliser dès le début de la thèse pour :
- l'adapter aux enjeux d'une actuation magnétique non uniforme,
- engendrer un écoulement de Galinstan (métal liquide à température ambiante)
- développer une approche de vélocimétrie à ultrasons ou par potentiels électriques.