MagnétoHydroDynamique

Les énergies éolienne et solaire sont prometteuses pour notre avenir mais sont générées de façon intermittente. Pour optimiser leur usage, il est important de développer des technologies de stockage massif d’énergie. Pour répondre à ce besoin, le groupe de D. Sadoway (MIT Boston) propose d’utiliser des batteries à métaux liquides de grande taille. Comme dans une batterie classique, l’énergie électrique est stockée sous forme électro-chimique, à l’aide d’un triplet anode – électrolyte – cathode constitué de métaux liquides et d’électrolyte de différentes densités massiques qui, dans le champ de gravité, s’organisent en couches. Cependant, des instabilités MHDMagnétohydrodynamique peuvent se déclencher dans les métaux liquides pendant les phases de charge–décharge mais aussi aux interfaces et provoquer des mouvements pouvant induire des courts-circuits. Dans la période 2014-15, nous avons étudié une instabilité MHDMagnétohydrodynamique appelée Tayler de manière théorique et numérique. Pour cela, nous avons implémenté la méthode level-set dans le code numérique SFEMaNS (collab. J.-L. Guermond, TAMUTexas A&M University, Texas) du LIMSILaboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur, créé en 1972 et dont les équipes ont rejoint celles du LRI en 2021 pour fonder le LISN.. Ce travail a permis de définir des régimes sûrs de fonctionnement d’une batterie à métaux liquides, vis à vis de l’instabilité de Tayler (voir figure à gauche). Par la suite, nous avons montré l’importance de l’instabilité du Metal Pad Roll qui génère une onde tournante à l’interface entre deux métaux liquides. Un exemple d’une simulation directe de cette instabilité dans une cellule d’electrolyse est montré dans la figure à droite. Ce travail bénéficie de la collaboration avec le HZDR de Dresden (N. Weber, F. Stefani, T. Weier), où des expériences sur les batteries sont en construction.

L’expérience Von Kármán Sodium étudie la génération de champ magnétique par un écoulement turbulent de sodium liquide entraîné par deux turbines (disques et pales) contra-rotatives. C’est la seule à avoir obtenu des régimes de dynamo avec un champ magnétique se renversant au cours du temps comme le champ terrestre mais, pour cela, il faut que les turbines soient en fer doux. Le rôle de ce matériau ferromagnétique reste mystérieux et nous nous proposons d’y apporter des éléments de réponse en nous appuyant sur le code SFEMaNS (collab. J.-L. Guermond, TAMUTexas A&M University, Texas). Les verrous scientifiques sont d’abord la prise en compte des turbines en fer correspondant à une variation azimutale de la perméabilité magnétique mais aussi les grands nombres de Reynolds cinétiques de l’expérience (107). La méthode utilisée pour lever le premier verrou est de considérer une perméabilité axisymétrique moyenne et de traiter les variations azimutales comme un terme source de l’équation d’induction (thèse de L. Cappanera, EDEcole Doctorale SMEMaG 2013-2016). Dans le cas simplifié de la dynamo cinématique où le champ de vitesse est supposé constant, un code numérique développé au GeePs (ex-LGEP) et au LIMSILaboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur, créé en 1972 et dont les équipes ont rejoint celles du LRI en 2021 pour fonder le LISN. et basé sur les éléments de Nédélec a permis de mettre en évidence le rôle de guide électromagnétique joué par les pales ferromagnétiques (post-doc Labex LaSIPS de H. Zaidi). Un autre ingrédient clé est le tourbillon hélicoïdal généré derrière chaque pale : il collimate tout champ magnétique pré-existant créant une amplification de ce champ, plus importante pour une pale ferromagnétique que conductrice (post-doc InterLabex de J. Varela-Rodriguez). Pour le second verrou, une technique de stabilisation non linéaire permet d’atteindre des grands nombres de Reynolds cinétiques. Nous avons ainsi pu réaliser les premières simulations tridimensionnelles réalistes de VKS (voir figure).

Nous étudions la modélisation et la simulation de fluides magnétiques dans un contexte de transferts thermiques (thèse de R. Zanella en co-tutelle avec le GeePs, EDEcole Doctorale SMEMaG, financée par le Labex LaSIPS). En particulier, on s’intéresse au refroidissement par convection thermo-magnétique des transformateurs immergés dans des ferrofluides, constitués d’une huile végétale (isolante électriquement, non magnétique et écologique) et de nanoparticules ferromagnétiques.

Le modèle mathématique comporte les équations suivantes : magnétostatique, Navier-Stokes pour un fluide Newtonien et incompressible et conservation de l’énergie. Du fait des nanoparticules magnétiques, des termes de couplage apparaissent : un terme de forçage dans Navier-Stokes (force de Kelvin) et des termes faisant apparaître le champ magnétique dans la conservation de l’énergie (chauffage Joule et terme pyromagnétique). La variation en température des propriétés physiques du ferrofluide a une forte influence. Ces développements ont été implémentés dans le code SFEMaNS (collab. J.-L. Guermond, TAMUTexas A&M University, Texas).

L’étude numérique se base sur différents modèles de transformateur, allant d’un modèle simplifié (un solénoïde plongé dans une cuve remplie de ferrofluide, voir figure) à des circuits primaire et secondaire de géométries variées. Un cœur ferromagnétique et laminé peut être rajouté afin de se rapprocher d’un transformateur réel et d’augmenter le champ magnétique dans le fluide. Le modèle simplifié, étudié expérimentalement au GeePs, permet de valider l’approche numérique dans le cas d’une huile végétale. La même configuration avec ferrofluide sera étudiée dans l’avenir.