Experimental studies of the dynamo instability : generation and saturation mechanisms

Ce travail de thèse s’articule autour de plusieurs questions relatives à l’instabilité dynamo dans des écoulements turbulents en métaux liquides. Cette instabilité de conversion d’énergie cinétique en énergie magnétique dans les fluides électriquement conducteurs est à l’origine, par exemple, des champs magnétiques terrestre et solaire. En particulier, nous abordons l’estimation du seuil de l’instabilité, l’influence de l’écoulement et des conditions aux limites ainsi que les mécanismes de saturation du champ magnétique. Ces travaux expérimentaux s’appuient sur deux écoulements turbulents de type von Kármán : en sodium liquide à Cadarache (collaboration VKS) et en gallium liquide à l’ENS de Lyon.Dans un premier temps, l’étude est consacrée à l’analyse de critères permettant d’estimer la distance au seuil de l’instabilité dynamo, à travers la mesure de la réponse magnétique du système à une excitation pour la dynamo auto-entretenue VKS. Ces critères ont été validés dans les configurations dynamos de l’expérience puis appliquées aux configurations non-dynamo.Ensuite, nous illustrons l’influence de l’écoulement sur le champ dynamo à travers l’étude de bifurcations globales. Une bistabilité hydrodynamique, pilotant deux branches dynamos d’amplitude différentes, est décrite ainsi que les liens entre les états magnétiques et hydrodynamiques.Nous portons notre attention sur l’étude des mécanismes de saturation à travers la dynamo semi- synthétique de Bullard-von Karman mettant en jeu un mécanisme d’induction turbulente et un mécanisme de bouclage artificiel permettant l’observation d’une dynamo à faible nombre de Reynolds magnétique. L’instabilité démarre à travers un régime intermittent et sature par la rétroaction des forces de Lorentz sur l’écoulement. Nous donnons les lois d’échelle et le bilan de puissance de ce régime. Un régime d’instabilité sous-critique est aussi introduit et caractérisé.Nous détaillons dans une dernière partie, les techniques de mesure spécifiques aux métaux liquides utilisées et développées au cours de la thèse.This PhD thesis deals with several problems relative to the dynamo instability in liquid metals turbulent flows. This instability converts kinetic energy into magnetic one in electrically conductive flows. It is the root of the magnetic field of the Earth and the Sun.We address the estimation of threshold of the instability, the influence of the flow configuration and of the electromagnetic boundary conditions as well as the saturation mechanism of the magnetic field. This experimental work rely on two turbulent flows of von Kármán type: in liquid sodium located in Cadarache (VKS collaboration) and in liquid gallium in ENS de Lyon.First we analyze several criteria about the estimation of the distance to threshold of the dynamo instability with the magnetic response of the system to a magnetic excitation for the self sustained dynamo in the VKS experiment. These method have been checked for dynamo configurations and then applied for non-dynamo configurations. Then, we study the influence of the flow on the dynamo field under the action of global hydrodynamic bifurcations. We describe a bistability of the flow which triggers two dynamo branches of different amplitude and the dynamics of the transitions between both hydrodynamic and magnetic states.We then focus on the saturation mechanism with the semi-synthetic Bullard-von Karman dynamo, involving a turbulent induction mechanism and an artificial electronic feedback. This setup allows to observe dynamo action for very low magnetic Reynolds number, far below the natural threshold of the instability.We observe an intermittent regime close to threshold and a fluid saturation by Lorentz force feedback on the flow. We specify the scaling laws and a power budget estimation of this regime. A sub-critical regime is also introduced and characterized.In the last section we detailed several measurement techniques in liquid metals developed and used during the PhD