Et 3D-billede i kaos:Forskere visualiserer temperaturdrevet turbulens i flydende metal for første gang

Eksperimenter med flydende metaller kunne ikke kun føre til spændende indsigt i geofysiske og astrofysiske strømningsfænomener, såsom atmosfæriske forstyrrelser ved solens rand eller strømmen i Jordens ydre kerne, men også fremme industrielle anvendelser, for eksempel støbning af væske stål.

Men da flydende metaller er ugennemsigtige, mangler der stadig passende måleteknikker til at visualisere flowet i hele volumen. Et hold fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu for første gang opnået et detaljeret tredimensionelt billede af en turbulent temperaturdrevet flydende metalstrøm ved hjælp af en selvudviklet metode. I Journal of Fluid Mechanics , de rapporterer om de udfordringer, de skulle overvinde på vejen.

Lige siden forskerne har undersøgt egenskaberne ved turbulente strømninger i væsker, har de brugt et eksperiment, der i starten virker ret simpelt:Væsken fyldes i en beholder/beholder, hvis bundplade er opvarmet, og hvis låg samtidig afkøles. Et hold fra Institute of Fluid Dynamics ved HZDR undersøger selve detaljerne i denne proces.

"Hvis temperaturforskellen i væsken overstiger en vis grænse, øges varmetransporten drastisk," siger teamleder Dr. Thomas Wondrak. Det sker, fordi der dannes et såkaldt konvektivt flow, som effektivt transporterer varmen. Væsken i bunden udvider sig, bliver lettere og stiger opad, mens de koldere lag i toppen synker nedad på grund af deres højere tæthed.

"I starten dannes der en regelmæssig cirkulation, men ved højere temperaturforskelle bliver flowet mere og mere turbulent. At visualisere denne proces korrekt i alle tre dimensioner er en udfordring," siger Wondrak og beskriver kort forsøgets begyndelsessituation.

Her kommer kontaktløs induktiv flowtomografi (CIFT), en måleteknik udviklet på HZDR, ind i billedet:med dens hjælp er forskerne i stand til at visualisere et tredimensionelt flow i elektrisk ledende væsker. De bruger princippet om bevægelsesinduktion:Hvis der påføres et statisk magnetfelt, genereres en elektrisk strøm i væsken på grund af væskens bevægelse. Disse hvirvelstrømme forårsager en ændring i det oprindelige magnetfelt, som kan måles uden for karret.

På denne måde afspejles flowstrukturen i magnetfeltfordelingen og kan udtrækkes fra måledataene ved hjælp af en passende matematisk metode. Wondraks team har nu brugt denne måleteknik til at afsløre det temperaturdrevne flow i en gallium-indium-tin-legering, som smelter ved omkring 10 grader Celsius.

Den centrale komponent i eksperimentet er en 64 centimeter høj cylinder indeholdende omkring 50 liter (ca. 350 kg) flydende metal, som er udstyret med et sofistikeret arrangement af 68 sensorer til at registrere temperaturfordelingen og 42 meget følsomme magnetfeltsensorer.

Lavinterferens-eksperimenter om natten

Ud over den sofistikerede matematik, der er involveret i at rekonstruere hastighedsfeltet ud fra de magnetiske data, er hovedudfordringen at måle de meget små flow-inducerede magnetfelter, da disse typisk er omkring to til fem størrelsesordener mindre end det påførte magnetfelt. Med et excitationsfelt på 1.000 mikrotesla er det flow-inducerede magnetfelt, der skal måles, ca. 0,1 mikrotesla.

Til sammenligning er Jordens magnetfelt, som også registreres og trækkes fra måleværdierne, omkring 50 mikrotesla stærkt. "Den mindste elektromagnetiske interferens, som fx opstår, når elektriske apparater er tændt, kan forstyrre målesignalet og skal filtreres fra. For at holde påvirkningen af ​​interferens på et minimum, udfører vi kun forsøg om natten, men det er vigtigt, at der ikke er støj på, når der er tændt for elektriske apparater. " siger Wondrak og forklarer målingerne.

Hver af disse nattemålinger giver en stor mængde eksperimentelle flowdata, der giver forskerne en helt ny indsigt i de komplicerede, konstant skiftende flowstrukturer. De eksperimentelt opnåede data er unikke, da numeriske simuleringer for de samme flowparametre af sammenlignelig varighed ikke er mulige inden for en rimelig tid, selv i nutidens tidsalder med højtydende databehandling.

Wondraks team bruger moderne matematiske koncepter til at genkende rumlige strukturer i komplekse hastighedsfelter. Forskerne var for eksempel i stand til at identificere tilbagevendende mønstre af en eller flere roterende hvirvler, der lå oven på hinanden i fartøjet. Dette bringer i det mindste lidt orden i det turbulente kaos og er blandt andet med til bedre at forstå sammenhængen mellem flow og varmetransport.

Outlook:Nye mål

Fysikerne kan også overføre viden opnået i laboratorieeksperimentet til meget større dimensioner inden for geofysik og astrofysik, såsom strømningsprocesser i det indre af planeter og stjerner, ved at anvende dimensionsløse parametre, der har deres oprindelse i lighedsteori.

Efter at have demonstreret potentialet ved kontaktløs induktiv flowtomografi med den aktuelle publikation, retter forskerne nu opmærksomheden mod at videreudvikle målemetoden. Tilføjelsen af ​​et ekstra magnetisk excitationsfelt og brugen af ​​nye typer magnetfeltsensorer lover en stigning i målenøjagtigheden. Wondraks team er optimistiske om, at denne metode snart vil give endnu dybere indsigt i turbulente flydende metalstrømme.

Flere oplysninger: Thomas Wondrak et al., Tredimensionelle strømningsstrukturer i turbulent Rayleigh–Bénard-konvektion ved lavt Prandtl-tal Pr =0,03, Journal of Fluid Mechanics (2023). DOI:10.1017/jfm.2023.794

Journaloplysninger: Journal of Fluid Mechanics

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres