Des simulations numériques haute performance révèlent les secrets de la dynamo turbulente expérimentale française

Larmor a proposé dès 1919 que l’origine du champ magnétique du soleil soit un effet « dynamo », généré par les mouvements d'un fluide conducteur de l'électricité. Mais il a fallu attendre le tournant du XXIe siècle pour en avoir une confirmation expérimentale, en particulier au sein de l’expérience française VKS (CNRS, ENS, ENS de Lyon, CEA Saclay), dans des écoulements très turbulents de sodium liquide. L’expérience VKS a montré la possibilité de dynamos turbulentes reproduisant des renversements de polarité des pôles comme sur la Terre ou des oscillations du champ magnétique similaires aux cycles magnétiques solaires. Cependant, deux questions restaient sans réponse pour la compréhension des mécanismes de génération du champ magnétique (l’une liée à la géométrie du champ magnétique créée, et l’autre à la nécessité d’utiliser des disques ferromagnétiques pour observer l’instabilité dynamo). Des physiciens de l’Observatoire de la Côte d’Azur (CNRS/OCA), du Laboratoire de Physique de l’ENS de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/UCBL) et de l’Université de Bochum (Allemagne) viennent de mettre en évidence les mécanismes détaillés conduisant à la génération du champ magnétique dans cette expérience, en utilisant des simulations numériques très haute performance.

Pour réaliser ces simulations, les chercheurs ont développé une méthode numérique permettant de reproduire fidèlement la mise en mouvement turbulent du sodium liquide par la rotation rapide de disques munis de pâles, dans un cylindre. Cette technique de pénalisation est extrêmement prometteuse pour la description fidèle d’écoulements turbulents générés dans des géométries complexes. Cette approche a été doublée d’une description fine du comportement électrique et magnétique du fluide et des parties solides. Les conditions spécifiques pour lesquels l’effet dynamo a été observé dans l’expérience ont été reproduites, ainsi que les renversements de polarité. Ces résultats ont permis de proposer un mécanisme complet expliquant la création du champ magnétique par un couplage entre l’écoulement turbulent et les propriétés ferromagnétiques des disques.

Ces résultats montrent la puissance des techniques de pénalisation pour simuler des écoulements turbulents complexes, avec des couplages multi-physiques. Ils ouvrent aussi la porte à l’optimisation des prochaines générations d’expérience dynamos pour révéler les mécanismes à l’œuvre dans les corps astrophysiques.

Dynamo enhancement and mode selection triggered by high magnetic permeability

S Kreuzahler, Y Ponty, N Plihon, H Homann and R Grauer,

On the cover page of Phys. Rev. Lett. 119, 234501 – Published 6 December 2017;

Contacts

Nicolas Plihon, CR CNRS, Univ Lyon, ENS de Lyon, CNRS, Univ Claude Bernard Lyon 1 (Laboratoire de Physique UMR 5672) Yannick Ponty, DR CNRS, CNRS, Observatoire de la Côte d’Azur (Laboratoire Lagrange UMR 7293), Université de la Côte d’Azur.