Introduction à l’hydrodynamique cryogénique et superfluide expérimentale

Outre des applications un peu particulières telles que le refroidissement de capteurs dans des satellites ou d’aimants supraconducteurs dans des installations de grande envergure telles que le LHC, l’hydrodynamique cryogénique présente des avantages considérables dans le cadre de l’étude fondamentale des écoulements turbulents. Dans cet exposé, nous nous attacherons à décrire ces avantages et les inconvénients qui leur sont associés (en particulier les difficultés expérimentales associées à la cryogénie). Nous présenterons des résultats expérimentaux obtenus dans SHREK (Superfluid High REynolds von Kármán experiment) dans le cadre d’écoulements à très haut nombre de Reynolds. Puis nous nous intéresserons aux écoulements superfluides (ou quantiques).  Nous détaillerons dans un premier temps les propriétés atypiques de l’hélium superfluide en introduisant brièvement le modèle à deux fluides communément utilisé pour décrire ces écoulements. Sur la base de ce modèle, nous expliquerons la réalisation d’une sonde locale de vorticité dans le superfluide tirant avantage du fait que dans un superfluide, la température se propage. Nous exposerons par la suite le résultat d’une campagne de mesures dans le contexte de SHREK qui nous a permis de relier la mesure locale de vorticité à ε le taux de dissipation d’énergie cinétique de l’écoulement. Pour finir nous continuerons notre étude de la vorticité dans le superfluide en nous intéressant aux vortex quantiques que nous pouvons visualiser grâce à des flocons micrométriques de « neige d’hydrogène ».  Pour effectuer ces mesures nous avons développé un cryostat optique tournant dédié baptisé CryoLEM (pour « Cryogénic Lagrangian Exploration Module »). Ce cryostat permet de mettre en œuvre une mesure 3D de la position des particules d’hydrogènes qui décorent les vortex quantiques et ainsi d’en étudier la dynamique. Nous présenterons dans ce contexte les premières mesures qualitatives obtenues récemment et les objectifs des projets en cours sur ce montage (turbulence quantique et turbulence en rotation).