Arindam Banerjee, professeur agrégé de génie mécanique et de mécanique à l'Université Lehigh, étudie la dynamique des matériaux dans des environnements extrêmes. Lui et son équipe ont construit plusieurs appareils pour étudier efficacement la dynamique des fluides et d'autres matériaux sous l'influence d'une accélération élevée et de la force centrifuge.

Un domaine d'intérêt est l'instabilité de Rayleigh-Taylor, qui se produit entre des matériaux de densités différentes lorsque les gradients de densité et de pression sont dans des directions opposées créant une stratification instable.

"En présence de gravité - ou de tout champ d'accélération - les deux matériaux se pénètrent comme des "doigts, '", dit Banerjee.

Selon Banerjee, la compréhension de l'instabilité est principalement limitée aux fluides (liquides ou gaz). On sait peu de choses sur l'évolution de l'instabilité dans les solides accélérés. Les échelles de temps courtes et les grandes incertitudes de mesure des solides accélérés rendent l'étude de ce type de matériau très difficile.

Banerjee et son équipe ont réussi à caractériser l'interface entre un matériau élasto-plastique et un matériau léger sous accélération. Ils ont découvert que le début de l'instabilité - ou "seuil d'instabilité" - était lié à la taille de l'amplitude (perturbation) et de la longueur d'onde (distance entre les crêtes d'une onde) appliquées. Leurs résultats ont montré que pour les perturbations (ou mouvements) bidimensionnelles et tridimensionnelles, une diminution de l'amplitude initiale et de la longueur d'onde produisait une interface plus stable, augmentant ainsi l'accélération requise pour l'instabilité.

Ces résultats sont décrits dans un article publié aujourd'hui dans Examen physique E appelé « expériences d'instabilité de Rayleigh-Taylor avec des matériaux élastiques-plastiques ». En plus de Banerjee, les co-auteurs incluent Rinosh Polavarapu (un doctorant actuel) et Pamela Roach (un ancien étudiant de MS) dans le groupe de Banerjee.

"Il y a eu un débat en cours dans la communauté scientifique pour savoir si la croissance de l'instabilité est fonction des conditions initiales ou d'un processus catastrophique plus local, " dit Banerjee. " Nos expériences confirment la première conclusion :que la croissance de l'interface dépend fortement du choix des conditions initiales, comme l'amplitude et la longueur d'onde."

Dans les expériences. La vraie mayonnaise Hellman's a été versée dans un récipient en plexiglas. Différentes perturbations ondulatoires se sont formées sur la mayonnaise et l'échantillon a ensuite été accéléré sur une expérience de roue tournante. La croissance du matériau a été suivie à l'aide d'une caméra haute vitesse (500 fps). Un algorithme de traitement d'images, écrit en Matlab, a ensuite été appliqué pour calculer divers paramètres associés à l'instabilité. Pour l'effet d'amplitude, les conditions initiales allaient de w/60 à w/10 tandis que la longueur d'onde variait de w/4 à w pour étudier l'effet de la longueur d'onde ("w" représente la taille de la largeur du conteneur). Les taux de croissance expérimentaux pour diverses combinaisons de longueur d'onde et d'amplitude ont ensuite été comparés aux modèles analytiques existants pour de tels écoulements.

Ce travail permet aux chercheurs de visualiser à la fois l'évolution élasto-plastique et l'instabilité du matériau tout en fournissant une base de données utile pour le développement, validation, et la vérification des modèles de tels flux, dit Banerjee.

Il ajoute que la nouvelle compréhension du "seuil d'instabilité" du matériau élasto-plastique sous accélération pourrait être utile pour aider à résoudre les défis de la géophysique, astrophysique, procédés industriels tels que le soudage par explosion, et les problèmes de physique à haute densité d'énergie liés à la fusion par confinement inertiel.

Comprendre l'hydrodynamique du confinement inertiel

Banerjee travaille sur l'une des méthodes les plus prometteuses pour réaliser la fusion nucléaire appelée confinement inertiel. Aux Etats-Unis., les deux principaux laboratoires pour cette recherche sont le National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory à Livermore, Californie, la plus grande expérience opérationnelle de fusion par confinement inertiel aux États-Unis, et le laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique. Banerjee fonctionne avec les deux. Lui et son équipe essaient de comprendre l'hydrodynamique fondamentale de la réaction de fusion, ainsi que la physique.

Dans les expériences de confinement inertiel, le gaz (isotopes de l'hydrogène, comme dans la fusion magnétique) est congelé à l'intérieur de pastilles métalliques de la taille d'un pois. Les pastilles sont placées dans une chambre, puis frappées avec des lasers à haute puissance qui compriment le gaz et le chauffent jusqu'à quelques millions de Kelvin, soit environ 400 millions de degrés Fahrenheit, créant les conditions de la fusion.

Le transfert massif de chaleur, ce qui se passe en nanosecondes, fait fondre le métal. Sous compression massive, le gaz à l'intérieur veut éclater, provoquant un résultat indésirable :la capsule explose avant que la fusion puisse être atteinte. Une façon de comprendre cette dynamique, explique Banerjee, est d'imaginer un ballon pressé.

"Comme le ballon se comprime, l'air à l'intérieur pousse contre le matériau qui le confine, essayer de déménager, " dit Banerjee. " À un moment donné, le ballon éclatera sous la pression. La même chose se produit dans une capsule de fusion. Le mélange du gaz et du métal en fusion provoque une explosion."

Pour éviter le mélange, ajoute Banerjee, vous devez comprendre comment le métal en fusion et le gaz chauffé se mélangent en premier lieu.

Pour faire ça, son groupe mène des expériences qui imitent les conditions de confinement inertiel, isoler la physique en supprimant le gradient de température et les réactions nucléaires.

Banerjee et son équipe ont passé plus de quatre ans à construire un appareil spécialement pour ces expériences. Installé au premier étage du laboratoire Packard de Lehigh, l'expérience est la seule du genre au monde, car il peut étudier le mélange à deux fluides dans des conditions pertinentes à celles de la fusion par confinement inertiel. Des équipements de pointe sont également disponibles pour le diagnostic du débit. Les projets sont financés par le ministère de l'Énergie, Laboratoire national de Los Alamos et la National Science Foundation.

L'une des façons dont des chercheurs comme Banerjee imitent le métal en fusion est d'utiliser de la mayonnaise. Les propriétés matérielles et la dynamique du métal à haute température ressemblent beaucoup à celles de la mayonnaise à basse température, il dit.

L'appareil de l'équipe recrée la vitesse incroyable à laquelle le gaz et le métal en fusion se mélangent. Ils recueillent des données à partir des expériences qu'ils mènent, puis les alimentent dans un modèle en cours de développement au Los Alamos National Lab.

"Ils ont pris un problème très compliqué et l'ont isolé en six ou sept problèmes plus petits, " explique Banerjee. " Il y a des scientifiques des matériaux qui travaillent sur certains aspects du problème; il y a des chercheurs comme moi qui se concentrent sur la mécanique des fluides, tous alimentant différents modèles qui seront combinés à l'avenir. »