Division of accelerators, cryogenics and magnetism

This study is dedicated to the development of a numerical solver using OpenFOAM for the purpose of modeling heat transfer phenomena between solid materials and superfluid helium. The investigation is situated within the framework of a CEA R&D project initiated by H. ALLAIN, focusing on heat exchange and the quench phenomenon. The principal objective is to furnish numerical outcomes that can be compared with experimental data. This report places a primary focus on the final developed code, describing its characteristics and highlighting the outcomes attained through its application. Initially, the report establishes the physical and numerical context within which the simulations are executed. This sets the stage for subsequent explanations on the outcomes, encompassing various simulation scenarios, including steady-state and transient conditions, distinct types of heat flux, and the impact of theoretical parameters specific to He II. Notably, the examination of the latter demonstrates a convergence between theoretical predictions and the solver’s results concerning heat transfer within a simplified superfluid helium channel. Furthermore, the analysis highlights the discernible influence of solid materials on the temperature distribution within the system, emphasizing the imperative need for experimental validation of the model.

Cette étude est dédiée au développement d’un solveur numérique utilisant OpenFOAM dans le but de modéliser les phénomènes de transfert de chaleur entre des matériaux solides et de l’hélium superfluide. Le travail s’inscrit dans le cadre d’un projet de R&D du CEA initié par H. ALLAIN, axé sur les transferts de chaleur en régime nominal et le phénomène de "quench". L’objectif principal est de fournir des résultats numériques pouvant être comparés avec des données expérimentales. Ce rapport met en avant le code final développé en accordant une attention particulière à ses caractéristiques et en mettant en évidence les résultats obtenus grâce à son application. Initialement, le rapport établit le contexte physique et numérique dans lequel les simulations sont exécutées, préparant ainsi le terrain pour une discussion ultérieure sur les résultats, englobant divers scénarios de simulation, notamment des cas stationnaires et transitoires, différents types de flux thermiques et l’impact des paramètres théoriques spécifiques à l’hélium superfluide. Par ailleurs, l’examen de ces derniers démontre une convergence entre les prédictions théoriques et les résultats du solveur concernant le transfert de chaleur dans un canal d’hélium superfluide. De plus, l’analyse met en lumière l’influence des matériaux solides sur la distribution de température dans le système, soulignant la nécessité d’une validation expérimentale du modèle.