Ce travail, essentiellement expérimental, permet d’étudier les différents paramètres d’une boucle d’hélium en circulation naturelle tels que les débits massiques, les différences de température entre une paroi et le fluide, les variations de pression de l’écoulement, les coefficients de transfert thermique et les flux critiques. Il fait partie des études du système de refroidissement de l’aimant supraconducteur du Compact Muon Solenoid (CMS), détecteur en construction au Cern pour le Large Hadron Collider (LHC).
Les paramètres hydrauliques que sont le débit massique total et la variation de pression peuvent être modélisés par un modèle simple, le modèle homogène, où les propriétés, comme la masse volumique des deux phases, sont homogénéisées. La justesse du modèle homogène s’explique principalement par le fait que la différence des propriétés physiques des deux phases est faible. En effet, le rapport des masses volumiques du liquide et du gaz à 4,2 K n’est que de 6, alors qu’il vaut 1000 pour l’eau, et celui des viscosités est de 3. Ce modèle a permis de valider la simulation numérique prédisant les régimes d’écoulement dans l’aimant de CMS.
Débit massique total en fonction du flux de chaleur dans un tube de 14 mm de diamètre. Le débit total est mesuré par un débitmètre venturi. Différents modèles ont été testés et comparés aux résultats expérimentaux : le modèle homogène donne le résultat le plus juste.
Dispositif de visualisation. Le tube en verre est connecté au tube d’étude par collage à un soufflet et par des joints métalliques. La caméra CCD, en visée directe, est maintenue à 80 K. Le système d’illumination est composé de systèmes externes (ampoules halogènes et classiques) et d’un système interne de fibre optique.
Les propriétés thermiques de l’écoulement, notamment les coefficients d’échange pariétaux, intéressent aussi les constructeurs d’aimants. On retrouve, à faibles flux de chaleur, un régime dominé par la convection forcée et, à forts flux de chaleur, un régime dominé par l’ébullition nucléée. Les corrélations de différents auteurs ont été comparées aux résultats expérimentaux. Une corrélation développée au SACM présente une meilleure justesse et prédit les résultats à 15 % environ.
Finalement, ce que nous connaissons le moins est la structure de l’écoulement, à savoir la répartition géométrique des deux phases dans l’écoulement. L’environnement cryogénique et le choix d’être non intrusif rendent la réalisation d’un système de visualisation difficile. Le système de visualisation utilisé est composé d’un tube en verre collé sur un soufflet et d’une caméra CCD classique. Ce dispositif a permis de faire les premières visualisations d’un tel écoulement. Les premiers résultats sont encourageants même si des problèmes de netteté n’ont pas été résolus. L’apparition des bulles est bien visible mais il nous est difficile de conclure sur le régime d’écoulement (à bulles, bulles agglomérées, poches disloquées…). Des travaux sont prévus pour améliorer le système.
Visualisation de l’écoulement en fonction du flux de chaleur. a) 0 W/m2, b) 100 W/m2, c) 1000 W/m2, d) 2000 W/m2, e) 3000 W/m2.
• Détection des rayonnements › Réalisations en réponse aux enjeux sociétaux
• Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
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Dernière mise à jour : 20-11-2024
