Calculs et expériences portant sur des écoulements MHD de métal liquide : application aux pompes électromagnétiques // Calculations and experiments relating to MHD flows of liquid metal: application to electromagnetic pumps

Les pompes électromagnétiques (PEM) assurent la mise en mouvement de métaux liquides conducteurs sans contact mécanique, par interaction entre des courants induits dans le fluide et une induction magnétique variable dans le temps et l'espace. Dépourvues de pièces mobiles, elles offrent une excellente étanchéité, une faible sensibilité à la cavitation et des besoins de maintenance réduits, ce qui les rend particulièrement adaptées aux applications impliquant des caloporteurs conducteurs, notamment dans le nucléaire civil (réacteurs rapides de génération IV, ITER), ainsi que dans les domaines spatial et du solaire thermodynamique.

Le fonctionnement des PEM repose sur des écoulements magnétohydrodynamiques (MHD) complexes, souvent instationnaires et susceptibles de devenir turbulents. Dans ces régimes, la modélisation des couches limites MHD constitue un verrou scientifique majeur, les modèles de turbulence classiques (RANS, LES) n'étant pas pleinement adaptés. Une description imprécise des effets MHD peut conduire à des erreurs significatives dans la prédiction des performances des PEM.

Cette thèse vise à étudier ces écoulements par simulation numérique directe (DNS), permettant une résolution précise de toutes les échelles de la turbulence sans recours à des modèles de fermeture. Les calculs porteront sur une géométrie de canal rectiligne simplifiée mais représentative d'une PEM, équipée d'actuateurs électromagnétiques réalistes et de conditions aux limites périodiques. Les simulations seront réalisées à l'aide du code DNS MULTIFAST, développé au SIMaP, dont la formulation sera enrichie pour prendre en compte des champs magnétiques non uniformes et instationnaires.

Les résultats DNS seront comparés à des simulations RANS afin d'identifier les domaines de validité des modèles de turbulence, en particulier concernant les seuils d'instabilité et les mécanismes de transition. Ils seront également validés expérimentalement sur le dispositif FLOCON du SIMaP, utilisant un écoulement de galinstan et des techniques de mesure par ultrasons ou potentiels électriques. Ce travail contribuera à améliorer la compréhension et la modélisation des écoulements MHD turbulents dans les PEM.
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Electromagnetic pumps (EMPs) enable the contactless movement of electrically conductive liquid metals. A time-dependent, spatially phase-shifted magnetic induction is generated by coils surrounding an annular channel of liquid metal, which in turn hosts induced electric current densities and ultimately experiences a Lorentz force resulting from the interaction between these currents and the magnetic induction itself. These EMPs, devoid of any sealing penetrations or blades to drive the liquid, offer excellent sealing performance and often exhibit reduced sensitivity to cavitation, while minimizing waste inventory and maintenance requirements. They are particularly suited for circulating electro-conductive heat transfer fluids found in civilian nuclear applications, such as certain Generation IV fast neutron reactors (e.g., sodium-cooled reactors), the future fusion reactor (ITER, using a Li-Pb coolant), as well as in aerospace or solar thermodynamic systems. In induction EMPs, the Lorentz force varies in both time and space. It results from a traveling magnetic induction generated by a series of coils carrying a three-phase current. The conductive liquid moves at a relative velocity with respect to the speed of the magnetic induction. This coupling between fluid mechanics and electric currents within the fluid is characteristic of magnetohydrodynamics (MHD). The flows observed in EMPs are not necessarily laminar and may be subject to hydrodynamic instabilities or even a laminar-toturbulent transition. When the MHD flow becomes turbulent, a scientific challenge arises related to the description of turbulent boundary layers, for which none of the available closure laws or subgrid-scale models (RANS, LES) seem perfectly suited for MHD. The use of numerical models that do not accurately incorporate MHD effects could lead engineers to make significant errors in predicted performance (developed pressure, pressure losses) during the design of EMPs ([1]).
Direct Numerical Simulation (DNS) helps overcome many assumptions by eliminating the need for phenomenological subgrid models to describe boundary layers. However, the trade-off is computational time, which can become prohibitive for engineers aiming to design EMPs with realistic, typically annular geometries within reasonable timeframes. While the use of DNS to accurately resolve turbulent MHD flows is not new (e.g., [2]), a literature review reveals that there are very few studies applied to flows under non uniform magnetic fields or with pronounced temporal variations (as in the case of EMPs). This observation has led the SIMaP team to recently investigate the effect of different permanent magnet arrangements on wallbounded
turbulence [5].
Regarding the main steps of the thesis, the MHD flow in the channel will be numerically modeled, first in the laminar regime and then in the weakly turbulent regime. The magnetic field will initially be imposed i) under uniform conditions, to compare with the literature on MHD at low magnetic Reynolds numbers, ii) then under oscillatory non-uniform conditions, and finally iii) under traveling and oscillatory magnetic field conditions.
The numerical simulations will be validated using an experimental setup (FLOCON) at SIMaP, to be finalized at the beginning of the thesis to:
• adapt it to the challenges of non-uniform magnetic actuation,
• generate a flow of Galinstan (a liquid metal at room temperature),
• develop an approach using ultrasound velocimetry or electric potential measurements.
The proposed thesis, both from experimental and numerical sides, aims to enhance the understanding of turbulent and unsteady MHD flows in channels, in order to inform future modeling efforts for electromagnetic pumps operating under representative Hartmann, Reynolds, and unsteady magnetic Reynolds numbers.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

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

Le ou la candidat.e devra avoir de très bonnes connaissances dans le domaine de la mécanique des fluides et autres phénomènes de transport (transfert de chaleur et de matière). Une bonne connaissance d'un langage de programmation (Fortran, C ou C++) sera aussi nécessaire. Une connaissance approfondie dans le domaine de la turbulence ou les méthodes expérimentales n'est pas obligatoire mais saura être appréciée.
A strong knowledge in fluid dynamics and transport processes (heat or mass transfer) is required as well as numerical simulation skills (based on Fortran or C languages). Background in turbulent flow modeling or experimental skills is not mandatory but appreciated.