Study of Heat and Mass transfer in Superfluid Helium in Confined Geometries

Etude des transferts de masse et de chaleur en hélium superfluide en milieux confinés Les accélérateurs de particules jouent un rôle central dans l'avancement de la recherche en physique fondamentale. Dans les accélérateurs circulaires tels que le Large Hadron Collider (LHC) du CERN, la trajectoire des faisceaux de particules doit être courbée par des champs magnétiques. À cette fin, le LHC utilise des aimants dipolaires supraconducteurs, qui permettent au courant électrique de circuler sans résistance. Un système de refroidissement à l'hélium superfluide (He II) assure l'état supraconducteur en maintenant les aimants à des températures inférieures à 2 K. Toutefois, les structures confinées qui entourent les bobines dipôlaires entravent le processus de refroidissement. Les colliers métalliques, qui permettent de contrer les forces électromagnétiques, sont espacés de 200 microns les uns des autres. Si les aimants perdent leurs propriétés supraconductrices (par exemple, lors d'un quench de l'aimant), l'énergie dissipée est telle que l'hélium subit des changements thermodynamiques drastiques, pouvant entraîner la défaillance de la machine et de graves dommages à ses composants. Le présent travail se concentre sur les phénomènes thermiques en He II se produisant à ce niveau de confinement géométrique lorsqu'il est soumis à des flux de chaleur élevés. Des expériences ont été menées dans un cryostat en He II pressurisé à différentes températures de bain. Les essais ont consisté à appliquer un flux de chaleur de confinement dans des canaux de section rectangulaire avec des rapports d'aspect élevés, ressemblant à l'espace entre les colliers métalliques. De nombreux essais ont été réalisés avec différentes orientations et épaisseurs de canaux. Un modèle numérique dynamique thermo-fluide a été développé pour simuler le transfert de chaleur et de masse dans l'He II. De nouveaux nombres sans dimension ont été dérivés pour valider l'hypothèse à la base des équations gouvernantes monofluide mises en œuvre dans le modèle. Le modèle numérique, qui est basé sur la méthode des volumes finis, est capable de simuler des événements transitoires de transfert de chaleur conjugués dans des géométries multidimensionnelles. De plus, un nouvel algorithme a été conceptualisé pour traiter les transitions de phase de second et premier ordre que l'hélium subit au-dessus des flux de chaleur critiques. À la pression atmosphérique, la transition de second ordre (c'est-à-dire la transition lambda) est associée au seuil de l'état superfluide, tandis que la transition de premier ordre relie l'hélium liquide à la vapeur d'hélium. Les expériences en He II ont permis d'obtenir des mesures de température fiables avec une incertitude de précision d'environ 0.12 %. Le modèle de l'hélium superfluide a été validé avec succès par rapport aux données expérimentales de la littérature et de ce travail avec une erreur relative d'environ 1 %. Les expériences impliquant plusieurs phases de l'hélium ont révélé une dépendance significative de la proportion entre les différentes phases sur l'épaisseur et l'orientation du canal, ainsi que sur la température initiale du fluide. La vitesse à laquelle l'interface hélium liquide-He II se déplace semble être fortement affectée par la présence d'un film de vapeur d'hélium. À des flux de chaleur élevés, les fronts de changement de phase se propagent à une vitesse similaire, indiquant une forte corrélation entre les deux. L'algorithme des transitions de phase a été testé à des flux de chaleur modérés dans de l'hélium liquide sous-refroidi et de l'He II. La comparaison avec les expériences en canal a montré un accord satisfaisant dans les profils de température et la propagation des fronts de changement de phase avec une erreur relative d'environ 10 %. Le modèle de calcul peut constituer la base d'un développement ultérieur du code pour la simulation d'événements à des variations de pression et de température plus importantes.