Caracterisation des interactions d'ondes Alfwen avec la turbulence sous champs magnétiques intenses // Characterisation of Alfven wave interaction with turbulence under high magnetic fields

La turbulence magnétohydrodynamique (MHD) peut être influencée de manière significative par la diffusion magnétique (qui favorise une tendance à l'écoulement bidimensionnel), la diffusion visqueuse et la propagation des ondes électromagnétiques d'Alfvén le long des lignes de champ magnétique (B). La compétition et l'interaction entre ces processus restent mal comprises en raison d'une limitation majeure : Les ondes d'Alfven ne peuvent être étudiées qu'à l'échelle du laboratoire dans des conditions de champ magnétique très élevé. Par conséquent, les données expérimentales sur la turbulence Alfvénique se limitent principalement à des observations astrophysiques, et les études relatives aux applications techniques se concentrent généralement sur les effets diffusifs de la force de Lorentz.

L'objectif principal de ce projet de doctorat est d'étudier expérimentalement les ondes d'Alfven et la turbulence MHD dans des conditions non homogènes, en utilisant l'environnement unique de champ magnétique élevé fourni par le LNCMI-Grenoble. Le projet combinera des approches expérimentales et numériques, en s'appuyant sur la plateforme expérimentale FLOWCUBE, qui est spécifiquement conçue pour étudier la turbulence MHD et les ondes d'Alfven dans une cavité remplie de métal liquide. FLOWCUBE permet de générer des turbulences par forçage électrique en courant continu et d'exciter des ondes d'Alfven en torsion par actionnement électrique en courant alternatif.
Au cours de son doctorat, l'étudiant adaptera l'installation FLOWCUBE pour qu'elle fonctionne dans le nouvel aimant hybride du LNCMI disponible dès le début de l'année 2025. Ce système offre une opportunité sans précédent de presque doubler l'intensité du champ magnétique (B) dans une configuration à grand diamètre (376 mm), permettant l'étude des interactions non linéaires des ondes d'Alfven, ainsi que des mécanismes de couplage entre ces ondes et les écoulements laminaires ou turbulents sous-jacents. En utilisant l'injection de courant électrique à double fréquence, le doctorant excitera sélectivement la turbulence, les ondes d'Alfven ou une combinaison des deux, afin d'explorer le régime non linéaire des ondes d'Alfven et les caractéristiques spectrales de la turbulence MHD modifiée par la propagation des ondes sous des champs magnétiques intenses.

Tout au long du projet ALFVEN WITH LIME, le candidat au doctorat sera responsable de la conception et de la réalisation d'expériences innovantes sur les métaux liquides dans des conditions non homogènes et à haut champ au LNCMI-Grenoble. Le doctorat débutera le 1er octobre 2025.
Trois campagnes de mesures sont prévues au cours des 30 premiers mois du projet. Le doctorant sera activement impliqué dans la planification de ces campagnes, qui dépendront de l'approbation du comité de sélection du consortium EMFL (European Magnetic Field Laboratory).

En parallèle, l'étudiant développera un modèle physique pour l'interaction non linéaire des ondes d'Alfven, en développant le travail de doctorat de Samy Lalloz (doctorat financé par le programme ISP, 2020-2024).
L'encadrement sera réalisé conjointement, coté francais par le Dr. François Debray du LNCMI et le Prof. Laurent Davoust de l'Université Grenoble Alpes coté français et coté anglais par le Prof. Alban Pothérat et le Dr. Samy Lalloz de l'université de Coventry.
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Magnetohydrodynamic (MHD) turbulence can be significantly influenced by magnetic diffusion (which promotes a two-dimensional flow tendency), viscous diffusion, and the propagation of electromagnetic Alfven waves along the magnetic field lines (B). The competition and interplay between these processes remain poorly understood due to a major limitation: Alfven waves can only be studied at the laboratory scale under very high magnetic field conditions. Consequently, experimental data on Alfvenic turbulence are mostly limited to astrophysical observations, and studies relevant to engineering applications typically focus only on the diffusive effects of the Lorentz force.

The main objective of this PhD project is to experimentally investigate Alfven waves and MHD turbulence under non-homogeneous conditions, using the unique high magnetic field environment provided by the LNCMI-Grenoble. The project will combine experimental and numerical approaches, building on the FLOWCUBE experimental platform, which is specifically designed to study MHD turbulence and Alfven waves in a liquid metal-filled cavity. FLOWCUBE allows the generation of turbulence via DC electrical forcing and the excitation of torsional Alfven waves through AC electrical actuation.
During the PhD, the student will adapt the FLOWCUBE setup to operate in the new hybrid magnet at LNCMI, available from early 2025. This system offers an unprecedented opportunity to nearly double the magnetic field strength (B) in a large bore configuration (diameter: 376 mm), enabling the investigation of nonlinear Alfven wave interactions, as well as coupling mechanisms between these waves and underlying laminar or turbulent flows. By employing dual-frequency electrical current injection, the PhD student will selectively excite turbulence, Alfven waves, or a combination of both, in order to explore the nonlinear regime of Alfven waves and the spectral characteristics of MHD turbulence modified by wave propagation under strong magnetic fields.

Throughout the ALFVEN WITH LIME project, the PhD candidate will be responsible for designing and conducting innovative liquid metal experiments in non-homogeneous, high-field conditions at LNCMI-Grenoble.
The PhD is expected to begin on October 1st, 2025.
Three measurement campaigns are planned over the first 30 months of the project. The PhD student will be actively involved in planning these campaigns, which will be contingent on approval by the selection committee of the EMFL (European Magnetic Field Laboratory) consortium.

In parallel, the student will develop a physical model for the nonlinear interaction of Alfven waves, expanding upon the PhD work of Samy Lalloz (PhD funded by the ISP program, 2020-2024).

Supervision will be jointly conducted by Dr. François Debray and Prof. Laurent Davoust (Université Grenoble Alpes, France), and Prof. Alban Pothérat and Dr. Samy Lalloz (Coventry University, UK).
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Début de la thèse : 01/10/2025

Enseignement supérieur

Université Grenoble Alpes

510 I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production

Bonne formation en mécanique de fluides, physique et mathématiques appliquées Bonne aptitude à la gestion de dispositifs expérimentaux alliant différentes technologies. Gout pour la rédaction d'article scientifique. Esprit ouvert aux collaboration internationales
Good background in fluid mechanics, physics and applied mathematics Good aptitude for managing experimental set-ups combining different technologies. A flair for writing scientific articles. Open mind to international collaborations