Flow af flydende metaller fundet at udvise overraskende turbulens

Nogle metaller er i flydende form, hvor det primære eksempel er kviksølv. Men der er også enorme mængder flydende metal i Jordens kerne, hvor temperaturerne er så høje, at en del af jernet smeltes og gennemgår komplekse strømninger. Et hold ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu simuleret en lignende proces i laboratoriet og gjort en overraskende opdagelse:Under visse omstændigheder er strømmen af ​​flydende metal langt mere turbulent end forventet - og dette har en betydelig indvirkning på varmetransport. Forskningen er publiceret i Physical Review Letters .

Temperaturer dybt inde i Jorden er så høje, at en del af dens jernkerne er flydende. Dette flydende jern er i konstant bevægelse, kværner og cirkulerer konstant. Det fungerer som en dynamo, der får vores planets magnetfelt til at blive genereret. En drivkraft for denne komplekse strømningsadfærd af jern er jordens rotation, en anden er det, der omtales som "konvektion", drevet af temperaturforskelle:Svarende til den måde, varm luft stiger op over en radiator, hvor den fortrænger køligere luft, relativt varm. jern i Jordens kerne strømmer til køligere områder, hvilket resulterer i varmeoverførsel.

Indtil videre er der dog lidt kendt om, hvordan disse processer foregår i detaljer. For bedre at forstå dem, er eksperter nødt til at stole på teoretiske beregninger og computersimuleringer, såvel som eksperimenter, der simulerer, hvad der sker – i det mindste til en vis grad – på laboratorieskala.

Et sådant eksperiment blev udført for nylig på HZDR's Institute of Fluid Dynamics. "Vi tog to cylindriske beholdere - et relativt lille på størrelse med en spand og det andet formet som en tønde med en volumen på 60 liter," forklarede projektleder Dr. Tobias Vogt. "Vi fyldte disse beholdere med en metallisk legering af indium, gallium og tin, som er flydende ved stuetemperatur." Eksperterne opvarmede bunden af ​​karrene, mens de afkølede toppen, hvilket skabte en temperaturforskel på op til 50 grader Celsius mellem de højere og nederste lag.

Ultralyd giver dybdegående visning

Denne betydelige temperaturforskel fik det flydende metal inde i karrene til at kværne:Drevet af konvektion steg lokalt varmere strømningsområder såsom søjler og blandede sig med de køligere dele - svarende til en lavalampe. Da den metallegering, som holdet brugte, er uigennemsigtig, var de imidlertid nødt til at ty til en særlig analytisk teknik:"Det er en ultralydsmetode, der bruges i medicin," forklarede Dr. Sven Eckert, afdelingsleder Magnetohydrodynamics ved HZDR. "Vi monterede omkring 20 ultralydssensorer på karrene, hvilket gjorde os i stand til at registrere, hvordan flydende metal strømmer inde i dem."

Da forskergruppen analyserede dataene, gjorde forskergruppen en overraskende opdagelse. Under eksperimenterne havde eksperterne forventet at finde sammenklyngningen af ​​individuelle strømningsområder for at danne en større og mere omfattende struktur, kendt som storskala cirkulation. "Dette kan sammenlignes med en termisk vind, som er i stand til at transportere varme meget effektivt mellem top og bund," rapporterede Vogt. "Vi var faktisk i stand til at observere denne termiske vind i det mindre fartøj - men med det større fartøj, tønden, førte store temperaturforskelle til et næsten fuldstændigt sammenbrud af vinden." Det betød, at varmen ikke blev transporteret så effektivt, som man havde forventet. "Vi mener, at årsagen til dette er dannelsen af ​​meget mindre turbulens snarere end nogle få store hvirvler, hvilket gør varmetransporten mindre effektiv," sagde Vogt.

Konsekvenser for batteriteknologi

Disse nye resultater kan have konsekvenser for, hvad der sker i Jordens kerne:"For at forstå, hvad der sker, forsøger eksperter at ekstrapolere resultaterne af laboratorieeksperimenter til Jordens skala," forklarede Sven Eckert. "Men vi har nu vist, at varme transporteres mindre effektivt under visse forhold, end tidligere eksperimenter havde foreslået." Det betyder, at forudsigelser for Jorden sandsynligvis også vil producere forskellige værdier. "Men de virkelige processer i Jordens kerne er mange gange mere komplekse end i vores laboratorieeksperimenter," tilføjede Tobias Vogt. "For eksempel er strømmen af ​​flydende jern også påvirket af Jordens magnetfelt og rotation - i sidste ende ved vi meget lidt om disse strømningsprocesser."

Faktisk kan de nye resultater også vise sig at være relevante for teknologi, især inden for områder, der involverer flydende metaller. For eksempel bruges flydende metaller i nogle typer batterier samt til fremtidige solenergianlæg og kølige fusionsreaktorer. For at kunne se endnu nærmere på varmetransport i flydende metaller arbejder HZDR-teamet i øjeblikket på en avanceret analyseteknik. "Særlige induktionssensorer forventes at registrere flows i endnu større detaljer end før og producere ægte 3D-billeder," bemærkede Sven Eckert. "Vores indledende målinger er meget lovende." + Udforsk yderligere

Varmeflow har vist sig at være mere effektivt, når temperaturen svinger, end når det er statisk