La convection thermique stellaire reproduite en laboratoire
Publié par Redbran le 06/09/2018 à 12:00
Source: CEA-IRAMIS
La convection thermique est à l'origine des écoulements turbulents au sein des atmosphères planétaires, des océans, des étoiles et des planètes. En astrophysique, un des objectifs est de déterminer les lois régissant le transport convectif de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !), afin de les inclure dans les modèles d'évolution stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.).

En utilisant un forçage radiatif, les chercheurs du SPEC/SPHYNX sont parvenus à reproduire en laboratoire un régime de convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se...) turbulente similaire à celui observé dans les milieux stellaires. Cette expérience constitue la première confirmation expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur...) d'idées théoriques datant de plus de 60 ans et doit contribuer à déterminer a priori les lois régissant la convection turbulente, afin de développer de meilleurs modèles astrophysiques prédictifs.


Dispositif expérimental de convection par forçage radiatif au SPEC/SPHYNX: une cuve de 6l d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et de colorant (Un colorant est une substance utilisée pour apporter une couleur à un objet à teinter.) est éclairée par une lampe de 180 000 lm (puissance électrique consommée: 2500 W). Deux thermocouples de haute précision permettent de mesurer le gradient de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) radiatif.


Dans les écoulements astrophysiques et géophysiques, la convection thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur...) est omniprésente: elle engendre le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur...) dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), les courants dans les océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en...), le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) des planètes et des étoiles, et elle déclenche l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la...) des supernovae issues des cœurs stellaires en effondrement. Pour comprendre ces phénomènes et disposer de modèles robustes d'atmosphère ou d'évolution stellaire, il faut avant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) déterminer les lois qui régissent le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..)....) de chaleur convectif turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept sous-marins nucléaires d'attaque de la Royal Navy.) en fonction du gradient de température présent. C'est l'objectif des études réalisées au laboratoire SPHYNX. Jusqu'à présent, ces expériences se sont focalisées sur la convection naturelle engendrée dans un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu...) soumis à un gradient de température imposé par deux plaques interfaces planes, l'une chaude et l'autre froide (modèle de Rayleigh-Bénard) . Cependant, ces plaques solides imposent une géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces (géométrie...) qui n'est pas celle des écoulements astrophysiques, et la convection obtenue est très différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité...) de celle des écoulements astrophysiques: les lois établies sur ce système modèle sont en désaccord avec les modèles établis [1] en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des...) ou en géophysique ne sont donc pas cohérents.

En rupture avec cette approche, les chercheurs du SPEC/SPHYNX ont développé une nouvelle expérience dans laquelle un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) d'eau et de colorant est chauffé par absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon...) de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...) [2]: un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) lumineux intense (200 W, 180 000 lm) éclaire la cuve expérimentale (6 l) de façon radialement homogène. Des écrans thermiques empêchent le chauffage direct du mélange. Du fait de l'absorption de la lumière un gradient thermique est créé entre le bas (forte absorption) et le haut (flux lumineux réduit) de la cuve. Deux thermocouples permettent de mesurer ce gradient et donc le transfert thermique (Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est un transit d'énergie sous forme microscopie désordonnée.). La moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) temporelle du gradient permet d'obtenir deux nombres adimensionnés: le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de Rayleigh (Ra), relié au gradient thermique interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...), et le nombre de Nusselt, relié au flux de chaleur (Le flux de chaleur est une transmission de chaleur (ou énergie thermique) à travers un corps. Le flux de chaleur s'exprime en W/m2.). Les deux nombres étant reliés par une loi de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) Nu≈Raγ, caractéristique du régime de convection thermique.

Dans cette nouvelle géométrie à symétrie tridimensionnelle cylindrique, l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) abrupte des plaques est ainsi remplacée par une absorption au cœur du fluide situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus...) plus proche de l'absorption de la lumière solaire dans les océans et lacs, le chauffage volumique du fluide stellaire par fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance...) thermonucléaire au cœur des étoiles, ou encore le chauffage des cœurs stellaires en effondrement par un flux de neutrinos. Avec ce type de chauffage tridimensionnel original, les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) conduisent à établir des lois bien différentes avec des nombres de Nusselt bien plus élevés et un exposant (Exposant peut signifier:) γ ~ 0.54, comparé à celles obtenues avec un montage de type Rayleigh-Bénard, avec un chauffage bidimensionnel par contact avec les plaques. De façon remarquable, on retrouve alors les lois retenues pour décrire la convection stellaire turbulente. Cette expérience constitue ainsi la première confirmation sur une expérience de laboratoire de ces théories émises il y a plus de 60 ans [3,4].


Nombre de Nusselt (Nu) en fonction du nombre de Rayleigh (Ra), déduit des mesures de gradient de température. (▲): forte absorption de la lumière localisée à l'interface, un exposant γ de 0.31, similaire à celui obtenu dans les expériences de type Rayleigh-Besnard est observé. (●) absorption étendue en volume dans le liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), l'exposant est maintenant de 0.54, indiquant un régime de convection thermique bien distinct. Lignes tiretées: simulations.

Le dispositif original de cette expérience a ainsi permis d'explorer un régime de convection thermique turbulente similaire à ceux observés dans divers contextes astrophysiques et géophysiques. Une nouvelle voie est ainsi ouverte pour développer des modèles astrophysiques prédictifs, dans lesquels les lois seront obtenues par des études expérimentales ciblées, et non uniquement par une calibration sur les observations partielles disponibles.


Distribution de température dans le fluide, obtenue par simulation numérique: en rupture avec le chauffage traditionnel par une plaque chaude (à gauche), le chauffage radiatif engendre des panaches intenses de fluide chaud qui mélangent efficacement le fluide (à droite).

Notes:

[1] "Turbulent convection at very high Rayleigh numbers",
J. J. Niemela, L. Skrbek, K. R. Sreenivasan & R. J. Donnelly., Nature 404 (2000). 837.

[2] "Radiative heating achieves the ultimate regime of thermal convection”, S. Lepot, S. Aumaître, B. Gallet, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, August 2018, 201806823.

[3] "A generalization of the mixing-length theory of thermal convection ", E.A. Spiegel, Astrophys. J. 138 (1963).216.

[4] "Turbulent thermal convection at arbitrary Prandtl number", R.H. Kraichnan, Phys. Fluids 5 (1962) 1374.



Contacts chercheurs:

Contact CEA-IRAMIS: Basile Gallet (IRAMIS/SPEC/SPHYNX)

Collaboration: S. Lepot, S. Aumaître & B. Gallet: Equipe SPHYNX du Service de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) de l'État Condensé, UMR 3680 CEA-CNRS, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France

Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution, et...) ERC Starting Grant "FLAVE - Energetics of natural (Natural est un langage de programmation semi-compilé, édité par la société allemande Software AG.) turbulent flows: the impact of waves and radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par...)" est porté par Basile Gallet.
Page générée en 0.010 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique