Division of accelerators, cryogenics and magnetism

Experimental microgravity conditions were previously reached using resistive high field magnets. Today, it has become a challenge to overcome the effects of these conditions on the advancement of low temperature high-field solenoids. These magnets are cooled using liquid helium at 4.2 K, whose diamagnetic nature makes it subject to magnetic forces generated by the magnetic field gradient. These forces’ intensity rises with the magnetic field, and for fields exceeding 20 T, they become notably high impinging upon gravity and hence disturbing the heat transfers and the cooling in general. During this internship, multiple OpenFOAM solvers have been developed to study the flow dynamics and heat transfers of natural convection in liquid helium under magnetic forces. The one phase (liquid) simulations demonstrate that natural convection in liquid helium are strongly influenced by the magnetic field intensity, heat fluxes and magnetic forces’ configurations. Moreover, a limit in the popular CFD algorithm SIMPLE was brought to light and solved thanks to the vorticity-stream function method. On the other hand, two phase simulations emphasised the role of the magnetic forces on the degradation of heat exchanges by illustrating the bubble growth and ascension in modified gravity conditions.

Les conditions expérimentales de microgravité ont été précédemment atteintes au moyen d’aimants résistifs à haut champ. Aujourd’hui, il est devenu un défi de surmonter les effets de ces conditions avec l’avancement des solénoïdes basse température à champs élevés. Ces aimants sont refroidis à l’aide d’hélium liquide à 4, 2 K, dont la nature diamagnétique le soumet aux forces magnétiques générées par le gradient de champ magnétique. L’intensité de ces forces augmente avec le champ magnétique et, pour des champs dépassant 20 T, elles deviennent notablement élevées, impactant la gravité et perturbant ainsi les transferts thermiques et le refroidissement en général. Plusieurs solveurs OpenFOAM ont été développées pour étudier la dynamique de l’écoulement et les transferts thermiques en convection naturelle dans l’hélium liquide sous l’effet de forces magnétiques. Le modèle monophasique (liquide) démontre que la convection naturelle dans l’hélium liquide est fortement influencée par l’intensité du champ magnétique, des flux thermiques et des configurations de champ magnétique. De plus, une limite dans l’algorithme de CFD SIMPLE a été souligné et résolue grâce à la méthode de vorticité-fonction de courant. D’autre part, le modèle diphasique a permi de prouver que les forces magnétiques peuvent être à l’origine de la dégradation du refroidissement en illustrant le grossissement et l’ascension des bulles en gravité modifiée.