Wetenschap
Een 3D-blik op chaos:onderzoekers visualiseren voor het eerst temperatuurgedreven turbulentie in vloeibaar metaal
Experimenten met vloeibare metalen kunnen niet alleen leiden tot opwindende inzichten in geofysische en astrofysische stromingsverschijnselen, zoals atmosferische verstoringen aan de rand van de zon of de stroming in de buitenste kern van de aarde, maar kunnen ook industriële toepassingen bevorderen, bijvoorbeeld het gieten van vloeibare metalen. staal.
Omdat vloeibare metalen echter niet transparant zijn, ontbreken nog steeds geschikte meettechnieken om de stroming in het gehele volume in beeld te brengen. Een team van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) heeft nu voor het eerst een gedetailleerd driedimensionaal beeld verkregen van een turbulente, temperatuurgestuurde vloeibare metaalstroom met behulp van een zelfontwikkelde methode. In het Journal of Fluid Mechanics , doen ze verslag van de uitdagingen die ze onderweg moesten overwinnen.
Sinds onderzoekers de eigenschappen van turbulente stromingen in vloeistoffen onderzoeken, gebruiken ze een experiment dat op het eerste gezicht vrij eenvoudig lijkt:de vloeistof wordt in een container/vat gedaan waarvan de bodemplaat wordt verwarmd en waarvan het deksel tegelijkertijd wordt gekoeld. Een team van het Institute of Fluid Dynamics van HZDR onderzoekt de details van dit proces.
“Als het temperatuurverschil in de vloeistof een bepaalde grens overschrijdt, wordt het warmtetransport drastisch vergroot”, zegt teamleider Dr. Thomas Wondrak. Dit gebeurt omdat er een zogenaamde convectieve stroming ontstaat, die de warmte effectief transporteert. De vloeistof onderaan zet uit, wordt lichter en stijgt naar boven, terwijl de koudere lagen bovenaan door hun hogere dichtheid naar beneden zinken.
"In eerste instantie ontstaat er een regelmatige circulatie, maar bij hogere temperatuurverschillen wordt de stroming steeds turbulenter. Het correct visualiseren van dit proces in alle drie de dimensies is een uitdaging", zegt Wondrak, die kort de beginsituatie van het experiment beschrijft.
Hier komt contactloze inductieve flowtomografie (CIFT), een meettechniek ontwikkeld bij HZDR, om de hoek kijken:met behulp hiervan kunnen de onderzoekers een driedimensionale stroming in elektrisch geleidende vloeistoffen visualiseren. Ze gebruiken het principe van bewegingsinductie:als er een statisch magnetisch veld wordt aangelegd, ontstaat er door de beweging van de vloeistof een elektrische stroom in de vloeistof. Deze wervelstromen veroorzaken een verandering in het oorspronkelijke magnetische veld, die buiten het vat kan worden gemeten.
Op deze manier wordt de stromingsstructuur weerspiegeld in de magnetische veldverdeling en kan deze met behulp van een geschikte wiskundige methode uit de meetgegevens worden geëxtraheerd. Het team van Wondrak heeft deze meettechniek nu gebruikt om de temperatuurgestuurde stroming in een gallium-indium-tin-legering te onthullen, die smelt bij ongeveer 10 graden Celsius.
Het centrale onderdeel van het experiment is een 64 centimeter hoge cilinder met daarin zo'n 50 liter (circa 350 kilogram) vloeibaar metaal, die is uitgerust met een uitgekiende opstelling van 68 sensoren om de temperatuurverdeling te registreren en 42 zeer gevoelige magneetveldsensoren.
Nachtelijke experimenten met weinig interferentie
Naast de geavanceerde wiskunde die betrokken is bij het reconstrueren van het snelheidsveld uit de magnetische gegevens, is de belangrijkste uitdaging het meten van de zeer kleine door stroming geïnduceerde magnetische velden, aangezien deze doorgaans ongeveer twee tot vijf ordes van grootte kleiner zijn dan het aangelegde magnetische veld. Bij een excitatieveld van 1.000 microtesla is het te meten stromingsgeïnduceerde magnetische veld ongeveer 0,1 microtesla.
Ter vergelijking:het magnetische veld van de aarde, dat ook wordt geregistreerd en afgetrokken van de meetwaarden, is ongeveer 50 microtesla sterk. “De kleinste elektromagnetische interferentie, die ontstaat wanneer bijvoorbeeld elektrische apparaten worden ingeschakeld, kan het meetsignaal verstoren en moet worden uitgefilterd. Om de invloed van interferentie tot een minimum te beperken, voeren we alleen ‘s nachts experimenten uit. "zegt Wondrak, terwijl hij de metingen uitlegt.
Elk van deze nachtelijke metingen levert een grote hoeveelheid experimentele stromingsgegevens op die onderzoekers een geheel nieuw inzicht geven in de ingewikkelde, voortdurend veranderende stromingsstructuren. De experimenteel verkregen gegevens zijn uniek, omdat numerieke simulaties voor dezelfde stroomparameters van vergelijkbare duur niet binnen een redelijke tijd haalbaar zijn, zelfs niet in het huidige tijdperk van high-performance computing.
Het team van Wondrak gebruikt moderne wiskundige concepten om ruimtelijke structuren in complexe snelheidsvelden te herkennen. De wetenschappers konden bijvoorbeeld terugkerende patronen identificeren van een of meer roterende wervels die op elkaar in het vat liggen. Dit brengt in ieder geval een beetje orde in de turbulente chaos en helpt onder meer om de relatie tussen stroming en warmtetransport beter te begrijpen.
Vooruitzichten:nieuwe doelstellingen
De natuurkundigen kunnen de kennis die is opgedaan in het laboratoriumexperiment ook overbrengen naar veel grotere dimensies in de geofysica en astrofysica, zoals stromingsprocessen in het binnenste van planeten en sterren, door dimensieloze parameters toe te passen die hun oorsprong vinden in de gelijkenistheorie.
Nadat ze met de huidige publicatie het potentieel van contactloze inductieve flowtomografie hebben aangetoond, richten de onderzoekers hun aandacht nu op het verder ontwikkelen van de meetmethode. De toevoeging van een extra excitatiemagneetveld en het gebruik van nieuwe typen magneetveldsensoren beloven een toename van de meetnauwkeurigheid. Het team van Wondrak is optimistisch dat deze methode binnenkort nog diepere inzichten zal opleveren in turbulente vloeibare metaalstromen.