Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La stabilité des plasmas de fusion est un enjeu crucial dans le cadre du développement de nouvelles sources d'énergie. L'interaction entre le plasma et le champ magnétique peut en effet amener à la destruction du confinement : c'est une disruption. Le sujet de cette thèse porte sur les îlots magnétiques, une des causes des disruptions. Ces îlots magnétiques sont observés expérimentalement et analytiquement. Les théories peuvent prévoir la croissance d'un îlot magnétique et sa taille, mais les restrictions sur le domaine de validité de la théorie sont fortes et elles dé-corrèlent largement les domaines de validité théoriques et expérimentaux. Dans une première partie, nous montrons que, génériquement, les méthodes de contrôle dynamiques d'évolution des îlots magnétiques, basées notamment sur une relation entre la taille de l'îlot et la perturbation de flux magnétique à la résonance, devraient prendre en compte la modification du flux magnétique moyenné le long de la ligne de champ. Nous donnons aussi des limites quand au cadre de notre assertion (coalescence des îlots, effondrement du point X, ...). la seconde partie de la thèse aborde un nouvel effet dû au courant de part et d'autre de l'îlot magnétique. Il change la dynamique de l'îlot et la perception que l'on en a. Jusqu'à présent la dynamique de l'îlot était étudiée principalement au travers de mécanisme actifs au niveau de la résonance. Nous démontrons que la présence de courant aux abords de l'îlot peuvent jouer un rôle très important sur sa croissance et sur sa taille finale. La troisième partie détaille comment la turbulence aux abords d'un îlot magnétique peut affecter sa croissance. / The fusion plasma stability is a critical point for the developpement of newenergy source. The interaction between the plasma and the magnetic field can drive to the confinement descrution : it is a disruption. The topic of this thesis is the magnetic island, one of disruption causes. Those magnetic islands are observed theoretically and numerically. The theory can predict the growth and the final size of magnetic islands, but restrictions of its validity range are strong and they decorrelate the experimental and theoritical validity domain. In the first part, we show that the dynamic method of magnetic island control, based on the link between the island size and the perturbed magnetic flux at the resonance, should take in account the modification of the magnetic flux averaged along the field line. We show aswell the limitation of our assertion (magnetic island coalescence, X point collapse ...). The second part of the thesis address a new effet du to the current on sides of the magnetic island. This effect changes the magnetic island dynamics and the perception we got on it. Until now, the magnetic island dynamics have been studied through active mechanisms at the resonance. We show that the presence of current on sides can play an important role on the growth and saturation of the magnetic island. The last part of thesis details how the turbulence on the outskirts of a magnetic island can affect the island growth. We show that a turbulence generate by an interchange instability can penetrate into a stable zone concerning tearing mode and induce by a 3D mechanisme the growth of an magnetic island.

La thèse porte sur le rôle de la rotation planétaire dans la structure globale de l'interaction vent solaire/magnétosphère à partir de simulations magnétohydrodynamiques (MHD). Les magnétosphères planétaires du système solaire présentent une incroyable diversité, et notamment dans leurs configurations respectives de l'inclinaison de leur axe magnétique par rapport à leur axe de rotation. La durée des périodes de rotation par rapport au temps de relaxation de chaque magnétosphère diffère aussi d'une planète à l'autre. On distingue ainsi les rotateurs lents (Mercure et la Terre), pour lesquels le temps de relaxation est plus court que la période de rotation, des rotateurs rapides (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune). Dans le cas du rotateur lent Mercure, on s'intéresse à l'influence des paramètres du vent solaire sur la structure globale du champ magnétique et de l'écoulement. En appui à la mission spatiale BepiColombo, nous présentons des simulations effectuées pour deux modèles différents de champ magnétique herméen. Nous détaillons le rôle des fronts d'onde MHD stationnaires, en particulier les fronts stationnaires de mode lent dans la magnétogaine. Saturne présente la particularité d'avoir un axe magnétique parfaitement aligné avec son axe de rotation. C'est donc un cas de rotateur rapide stationnaire, qui nous permet d'étudier la structure globale du champ magnétique et de l'écoulement pour différentes orientations de l'IMF, mais aussi pour différentes vitesses de rotation de la planète. Enfin, le cas d'une configuration quelconque, avec un grand angle entre l'axe magnétique et l'axe de rotation planétaire, est étudié en présence d'un vent solaire magnétisé en s'inspirant de la configuration d'Uranus au solstice et à l'équinoxe. Dans la configuration « solstice », c'est à dire lorsque l'axe de rotation pointe vers le Soleil, on montre qu'une structure de nature alfvénique se développe en hélice dans la queue de la magnétosphère, et que les zones de reconnexion entre le champ magnétique planétaire et l'IMF, qui forment aussi une double hélice, ralentissent la progression de la structure alfvénique. A l'équinoxe, lorsque l'axe de rotation est toujours dans le plan de l’écliptique mais perpendiculaire à la direction Soleil-Uranus, la structure en hélice disparaît. / The topic of the thesis is the part of planetary rotation in the global structure of the solar wind interaction with planetary magnetospheres using MHD simulations. We discuss the distinction between slow and fast rotators from a MHD point of view. In the case of a non-rotating magnetosphere (as is the one of Mercury), the part of standing MHD modes is studied, along with a method to identify them in simulations. A fast-rotating but stationary magnetosphere (inspired by the case of Saturn) is presented in details and provides a good test to validate the new version of the AMRVAC code allowing for any configuration regarding the respective directions of the planetary spin axis, planetary magnetic axis, solar wind inflow direction, and IMF orientation. Finally, a random configuration, with a large angle between the planetary spin and magnetic axis, is analyzed for the first time in presence of a magnetized solar wind, using configurations inspired from the planet Uranus at solstice and equinox.

Dans ce manuscrit, nous abordons une étude expérimentale de magnétohydrodynamique, traitant plus particulièrement du forçage électromagnétique dans les métaux liquides. L’entraînement d’un fluide conducteur de l’électricité par un champ magnétique se traduit par une conversion d’énergie électromagnétique en énergie cinétique, via le travail de la force de Laplace. La motivation de cette thèse est donc d’examiner comment un champ électromagnétique engendre un écoulement, d’étudier les différentes façons d’assurer un tel transfert d’énergie, ou encore de caractériser les facteurs limitant l’efficacité de ce transfert. Cette thèse présente deux expériences de laboratoire permettant d’étudier deux types de forçage différents : d’une part, l’entraînement d’un fluide par induction à partir d’un champ magnétique variable (analogue au moteur asynchrone), d’autre part un entraînement résultant de la combinaison d’un champ magnétique stationnaire et uniforme et d’un courant électrique constant (analogue au moteur à courant continu). Dans une première partie, une loi prédictive est obtenue pour l’évolution d’un fluide soumis à un champ glissant dans le régime turbulent. On montre que cet entraînement est limité par la turbulence, mais aussi par des mécanismes originaux comme une expulsion de flux magnétique, ou un transfert de l’énergie vers des harmoniques. Cette limitation de l’entrainement se traduit par une borne sur le rendement de cette conversion d’énergie, qui ne peut excéder 50%. Dans une seconde partie, le fluide est soumis à deux champs magnétiques glissants dans des directions opposées, engendrant ainsi un écoulement de cisaillement. Les fluctuations turbulentes brisent alors la symétrie du problème et donnent à la couche de cisaillement un comportement chaotique, révélant notamment un spectre de puissance en 1/f du champ de vitesse à basse fréquence. Cette accumulation d’énergie aux basses fréquences est associée à des renversements chaotiques des structures cohérentes. L’apparition de ce bruit en 1/f est contrôlée par la symétrie du forçage et le taux de turbulence au sein de l’écoulement. Enfin, dans une dernière expérience, une couche mince de métal liquide est forcée par conduction, permettant d’observer pour la première fois en laboratoire un écoulement MHD turbulent de type Képlérien. On observe ainsi que le champ magnétique joue un rôle de laminarisation de l’écoulement et que la transition vers le régime turbulent se fait de manière continue. Ces travaux montrent ainsi qu’il est possible d’isoler plusieurs mécanismes limitant l’entraînement des métaux liquides forcés éléctromagnétiquement et de comprendre plus généralement la dynamique complexe des écoulements MHD. / This manuscript describes an experimental study on magnetohydrodynamics, with a particular focus on the electromagnetic driving of liquid metals. Such electromagnetically-driven flows involve transformation of electromagnetic energy into kinetic energy through the Laplace force. The motivation of the present thesis is to examine how an electromagnetic field generates a flow, to study the different ways to ensure such a transfer of energy, or to characterize what bounds the efficiency of this energy conversion. This thesis presents two laboratory experiments studying two different driving : first, the induction of a fluid motion by a traveling magnetic field (similar to an asynchronous motor), then a driving due to the combination of a stationary and uniform magnetic field and a constant electric current (similar to a DC motor). In the first part of the thesis, a predictive scaling law is obtained for the evolution of a fluid subjected to a traveling field in the turbulent regime. It is shown that this driving is strongly limited by turbulence, but also by various mechanisms such as magnetic flux expulsion, or energy transfers to higher harmonics. This limitation results in a bound on the efficiency of this energy conversion, which can never exceed 50%. In a second part, the fluid is subjected to two magnetic fields traveling in opposite directions, thus generating a shear flow. The turbulent fluctuations break the symmetry of the problem and yields a chaotic behavior of the shear layer, revealing a 1/f power spectrum at low frequency. This accumulation of energy at low frequencies is associated with chaotic reversals of large scale coherent structures. The appearance of this 1/f noise is mediated by the symmetry and the turbulence of the flow. Finally, in a last experiment, a thin disc of liquid metal is driven by conduction, leading to the first observation of MHD Keplerian turbulence in the laboratory. It is thus observed that the magnetic field laminarises the flow and that the transition to Keplerian turbulence is continuous. This work shows that it is possible to isolate several mechanisms characterizing electromagnetically-driven flows and to understand the complex dynamics of MHD flows.

L'expérience DTS (Derviche Tourneur Sodium) permet d'étudier le régime magnétostrophique attendu dans les noyaux planétaires, où les forces de Coriolis et de Lorentz sont en équilibre. Elle consiste en la rotation différentielle de deux sphères concentriques dont l'espace inter-sphère contient du sodium liquide. De plus, un champ magnétique dipolaire est imposé avec une graine aimantée. Cet écoulement magnétohydrodynamique de Couette sphérique est analysé grâce à des mesures de vitesse (Doppler ultrasonore), de potentiel électrique et de champ magnétique induit.<br />Les profils de vitesse angulaire mettent en évidence différentes régions dans le fluide : une zone de super-rotation près de la graine, un plateau, et une décroissance lente à la sphère externe. Ceci est bien expliqué par un modèle basé sur l'état de Taylor modifié où la turbulence dans les couches d'Ekman est prise en compte. Quant à la turbulence dans le volume, elle est faible, et les fluctuations observées sont associées à des ondes.<br />La dispersion des mesures pour un forçage donné pourrait être due à des variations de couplage électrique entre le sodium liquide et la graine en cuivre. L'utilisation de la différence de potentiels électriques, comme équivalent de la vitesse du fluide, amène la découverte d'un régime particulier quand les sphères sont contra-rotatives. Les fortes amplitudes du champ magnétique induit nous laissent penser que cette situation pourrait être favorable à l'obtention d'un effet dynamo.<br />Les récentes expériences ont montré un bon couplage électrique, et des mesures innovantes de champ induit, tout le long d'un méridien et à l'intérieur de la sphère, apportent de nouvelles contraintes.

Nous avons étudié l'influence de fluctuations de grandes échelles sur le seuil de l'instabilité dynamo. Pour cela, nous avons résolu le problème cinématique pour un champ de vitesse hélicoïdal, auquel nous avons rajouté à sa partie stationnaire, une modulation périodique dans le temps, également hélicoïdale. Pour un champ de vitesse hélicoïdal stationnaire des études précédentes ont montré que pour de grands nombres de Reynolds magnétique le champ magnétique était généré au niveau d'une surface caractérisée par une condition de résonance sur le champ de vitesse. Pour un champ de vitesse modulé, nous avons montré que pour une faible amplitude de modulation, c'est la condition de résonance portant sur la partie stationnaire qui gouverne la génération du champ magnétique. Pour une grande amplitude de modulation, c'est la condition de résonance portant sur la modulation qui contrôle la génération du champ magnétique. Dans la plupart des cas et si la condition de résonance est vérifiée pour les deux parties du champ de vitesse, on trouve que le seuil augmente en fonction de l'intensité de la modulation, puis diminue tout en restant supérieur au seuil de l'écoulement stationnaire de même géométrie. Si la condition de résonance n'est pas vérifiée pour la modulation, alors le seuil augmente drastiquement avec son intensité.<br />Cette étude suggère que l'optimisation des expériences dynamo dépend non seulement de la partie stationnaire du champ de vitesse, mais aussi de ses fluctuations de grande échelle. Si ces dernières ne sont pas optimisées alors le seuil dynamo peut augmenter drastiquement, même si celles-ci sont de faible intensité.

L'action d'un champ magnétique variable sur une couche mince de métal liquide est étudiée d'un point de vue expérimental et théorique. Dans le chapitre I, le dispositif expérimental est décrit. Une étude expérimentale est ensuite menée où l'on souligne la différence de comportement entre une nappe épaisse de métal liquide et une nappe mince. En effet, si le dispositif est axisymétrique en l'absence de champ magnétique, cette symétrie est conservée dans le cas d'une nappe épaisse, lorsque l'on applique un champ magnétique. En revanche, la symétrie est rompue dans le cas d'une nappe mince de métal liquide. A champ inducteur donné, les formes que prend la nappe aussi bien dans le cas d'une nappe mince que d'une nappe épaisse sont des états d'équilibres stables. L'objectif principal de cette thèse est d'expliquer les équilibres stables de la nappe mince en se basant sur une méthode de minimum d'énergie. Le chapitre II présente la formulation magnétique du problème ainsi que le bilan énergétique qui en découle. Le chapitre III traite des méthodes de calcul choisies pour la résolution de notre modèle et pour la validation d'hypothèse. Deux méthodes de résolution numérique y sont décrites, l'une est la méthode des éléments finis et l'autre la méthode des intégrales de frontières. Le dernier chapitre présente les résultats obtenus par la résolution du modèle magnétique, ces résultats de simulation sont ensuite comparés aux résultats expérimentaux.

Les processus d'éjection de masse des étoiles sont un phénomène largement répandu. Les vents, les jets stellaires ou les jets extra-galactiques sont caractérisés par une forte accélération du plasma éjecté et une morphologie plus ou moins bipolaire, plus ou moins focalisée le long de l'axe de rotation de la source. Nous avons effectué différentes analyses des rôles de la pression, du champ magnétique et de la rotation du plasma dans les processus de formation et d'accélération des jets et sur leur stabilité. Les travaux exposés montrent, en particulier, le rôle essentiel du couplage magnétocentrifuge et du gradient de densité aussi bien dans la formation que dans la stabilisation des jets. L'étude des écoulements de vents de disques et de couronnes, nous a amené à étudier en détails le rôle des surfaces critiques et leur lien essentiel avec les conditions limites. Nous avons montré l'analogie des écoulements MHD avec la métrique des trous noirs : les surfaces critiques sont l'analogue des horizons. Il existe aussi des ergosphères MHD, distinctes des horizons, qui n'ont pas nécessairement le rôle prédominant qu'on leur a parfois accordé. Les modèles autosimilaires de vents de couronne nous ont permis d'établir des critères originaux sur la collimation des vents en jets et de relier la focalisation la distribution d'énergie sur la source. Par ailleurs, nous avons introduit la notion de rotateurs magnétiques efficaces et inefficaces pour distinguer entre les sources de jets confinés thermiquement et celles de jets confinés magnétiquement. L'application de ces modèles au vent solaire (données de la sonde Ulysse) et aux jets d'étoiles jeunes (jets de classes 2), nous a permis de valider les critères de collimation. Nous avons proposé un scénario pour l'évolution des jets en vents au cours de l'évolution stellaire, tout en proposant une autre origine pour la formation des jets protostellaires de classe 0. Par ailleurs, ces mêmes critères nous ont permis d'avancer une nouvelle interprétation de la classification des jets extragalactiques. Pour ces jets, une extension relativiste des modèles, sur laquelle nous travaillons, est cependant nécessaire.

Durant ma thèse je me suis intéressée à deux manifestations spécifiques de la libération d'énergie lors des éruptions solaires: les particules énergétiques et la dynamique de la reconnexion magnétique. Grâce à une étude détaillée des séquences temporelles des différentes signatures électromagnétiques, produites par les particules énergétiques dans la couronne (RHESSI, CORONAS-F, NoRP), et du flux de particules relativistes à la Terre (Moniteurs à neutrons), j'ai pu montré que les particules impactant la Terre étaient accélérées durant un épisode spécifique d'accélération lors de la phase impulsive de l'éruption. Cette étude multi-longueurs d'ondes suggère également que le mécanisme d'accélération des particules injectées plus tard, n'est pas nécessairement identique. Le diagnostic du rayonnement radio (WIND, RSTN) m'a permis d'établir que la longueur interplanétaire parcourue par les particules de la première injection, ~ 1.5 UA, est plus grande que celle généralement supposée pour le transport des particules solaires à la Terre (~1.2 UA). J'ai alors développé une nouvelle méthode permettant d'identifier la structure magnétique interplanétaire dans lesquelles les particules se propagent jusqu'à la Terre. Les analyses des mesures in-situ du champ magnétique (ACE/MAG) et des paramètres plasma (ACE/SWEPAM) du milieu interplanétaire, m'ont permis d'identifier les structures magnétiques du milieu interplanétaire lors des événements à particules relativistes. La comparaison de ces structures avec la longueur parcourue par les particules et obtenue par une analyse de dispersion des vitesses des flux de particules à la Terre (SoHO/ERNE et moniteurs à Neutron) montre clairement que la distance parcourue dépend de la structure magnétique présente à la Terre, mais également que la connexion de la région active à la Terre peut être assurée par des structures magnétiques transitoires différentes de celle de la spirale de Parker comme généralement admis. Le second volet de ma thèse porte sur l'étude de la dynamique de la reconnexion magnétique. L'implémentation du code développé par G. Aulanier, m'a permis de réaliser la première simulation numérique tridimensionnelle magnétohydrodynamique d'un événement solaire observé, contrainte par les mesures du champ magnétique (SoHO/MDI). Par cette étude, j'ai montré que la dynamique des brillances, observées à la surface solaire et généralement attribuée à l'impact de particules énergétiques, s'expliquait par la succession de différents régimes de reconnexion magnétique. J'ai montré que cette dynamique de la reconnexion magnétique était due à une topologie magnétique hybride où les séparatrices associées à un point nul était incluses dans des quasi-séparatrices. La reconnexion à travers les séparatrices se traduit par un saut de connectivité, tandis que la reconnexion à travers les quasi-séparatrices induit un changement continu de la connectivité des lignes de champ magnétique. J'ai ensuite réalisé une seconde simulation tridimensionnelle magnétohydrodynamique d'une configuration magnétique en point nul asymétrique, mais cette fois impliquant des lignes de champ ouvert lors de la reconnexion. Après avoir confirmé la présence de quasi-séparatrices entourant les sépratrices, ce travail m'a permis de d'établir un nouveau modèle d'injection de particules dans l'héliosphère, permettant d'expliquer les mesures interplanétaires de particules dans une large gamme de longitude, qui sont généralement expliquer par la diffusion des particules dans la couronne.

Afin de réaliser l'isolement galvanique d'une partie d'un sous-système électrique suite à une manœuvre ou l'apparition d'un défaut (surcharge, court-circuit), les propriétés de limitation de l'arc électrique, sont exploitées afin de forcer un retour rapide au zéro de courant. La modélisation de ce processus est complexe car il met en jeu un grand nombre de phénomènes physiques (rayonnement, changement de phase, électromagnétisme, mécanique des fluides, physique des plasmas). La volonté de privilégier une résolution fortement couplée de ces phénomènes et l'analyse de leurs constantes de temps caractéristiques ont conduit à privilégier la méthode des volumes finis afin d'aboutir à une résolution numérique robuste. Celle-ci a tout d'abord été mise en œuvre dans le cadre de problèmes intrinsèques d'électromagnétisme (électrocinétique, magnétostatique – y compris des milieux non-linéaires – et magnétodynamique) pour lesquels des considérations énergétiques ont conduit à élaborer des critères de précision basés sur des conservations locales. Les modèles ainsi validés ont été implémentés avec succès dans le code de coupure utilisé par Schneider Electric et ont permis de faire progresser significativement la modélisation des appareils de coupure développés par Schneider Electric.