Modélisation numérique des transferts de chaleur en hélium superfluide

Expérience de Van Sciver dans un canal d’hélium superfluide de 10 m de long

Dans une première partie, nous avons codé les équations du modèle à deux fluides simplifié de Gorter- Mellink de l’hélium superfluide sur le solveur numérique ANSYS Fluent. Les termes supplémentaires de ce modèle ont été rajoutés en langage C et compilés sous Fluent en utilisant l’interface UDF (User Define Function) du solveur en 2D et 3D. Les calculs réalisés avec ce code ont été comparé avec le code précédemment réalisé sous ANSYS CFX en régime permanent et à l’expérience de Van Sciver en régime transitoire. Les résultats obtenus suivent la même tendance que dans l’expérience. Dans une deuxième partie, nous avons réalisé un « nouveau » modèle pour reproduire la transition de l’hélium superfluide vers l’hélium normal liquide et gazeux en 2D.

Ce modèle utilise la modélisation diphasique VOF (Volume of Fluid) de Fluent qui a été modifiée pour reproduire fidèlement l’avancée du front de transition superfluide/normal. Un maillage adaptatif dynamique a été rajouté proche de l’interface pour réduire les temps de calcul. Malgré cette optimisation, cette modélisation présente encore des temps de calcul trop importants (plusieurs jours pour un calcul 2D dans un petit canal).

La comparaison sur les températures avec le modèle numérique.

Conductivité thermique

De plus, une expérience est actuellement en cours de réalisation dans le laboratoire pour valider les résultats obtenus par cette méthode. En complément, un autre code numérique a été réalisé pour modéliser le modèle à deux fluides complet de l’hélium superfluide sous le solveur FreeFem pour reproduire les transferts de chaleur dans les micros canaux et la transition entre les régimes de Landau et de Gorter-Mellink. Les calculs ont montré des résultats similaires aux expériences.

nouvelle modélisation des transferts thermiques en HeII est innovante et n’avait jamais été réalisée sous cette forme auparavant. Elle doit pouvoir permettre de mieux prévoir et d’anticiper les comportements thermiques au sein des composants refroidis avec ce fluide (aimants supraconducteurs à 1,8 K par exemple).

Front de transition de l’hélium normal en rouge lors du passage superfluide/normal sous Fluent.

#4124 - Màj : 02/12/2019

Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers