Experiment med flytande metaller kan inte bara leda till spännande insikter i geofysiska och astrofysiska flödesfenomen, såsom atmosfäriska störningar vid solens kant eller flödet i jordens yttre kärna, utan också främja industriella tillämpningar, till exempel gjutning av vätska stål.
Men eftersom flytande metaller är icke-transparenta saknas fortfarande lämpliga mättekniker för att visualisera flödet i hela volymen. Ett team från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu för första gången erhållit en detaljerad tredimensionell bild av ett turbulent temperaturdrivet flytande metallflöde med hjälp av en egenutvecklad metod. I Journal of Fluid Mechanics , de rapporterar om de utmaningar de var tvungna att övervinna på vägen.
Ända sedan forskare har undersökt egenskaperna hos turbulenta flöden i vätskor har de använt ett experiment som till en början verkar ganska enkelt:vätskan fylls i en behållare/kärl vars bottenplatta är uppvärmd och vars lock kyls samtidigt. Ett team från Institute of Fluid Dynamics vid HZDR undersöker själva detaljerna i denna process.
"Om temperaturskillnaden i vätskan överstiger en viss gräns ökar värmetransporten drastiskt", säger teamledaren Dr Thomas Wondrak. Detta sker på grund av att det bildas ett så kallat konvektivt flöde, som effektivt transporterar värmen. Vätskan i botten expanderar, blir lättare och stiger uppåt, medan de kallare skikten i toppen sjunker nedåt på grund av sin högre densitet.
"Inledningsvis bildas en regelbunden cirkulation, men vid högre temperaturskillnader blir flödet allt mer turbulent. Att visualisera denna process korrekt i alla tre dimensioner är en utmaning", säger Wondrak och beskriver kort experimentets initiala situation.
Här kommer kontaktlös induktiv flödestomografi (CIFT), en mätteknik utvecklad vid HZDR, in i bilden:med dess hjälp kan forskarna visualisera ett tredimensionellt flöde i elektriskt ledande vätskor. De använder principen om rörelseinduktion:om ett statiskt magnetfält appliceras genereras en elektrisk ström i vätskan på grund av vätskans rörelse. Dessa virvelströmmar orsakar en förändring i det ursprungliga magnetfältet, som kan mätas utanför kärlet.
På så sätt reflekteras flödesstrukturen i magnetfältsfördelningen och kan extraheras från mätdata med en lämplig matematisk metod. Wondraks team har nu använt denna mätteknik för att avslöja det temperaturdrivna flödet i en gallium-indium-tennlegering, som smälter vid cirka 10 grader Celsius.
Den centrala komponenten i experimentet är en 64 centimeter hög cylinder som innehåller cirka 50 liter (cirka 350 kilogram) flytande metall, som är utrustad med ett sofistikerat arrangemang av 68 sensorer för att registrera temperaturfördelningen och 42 mycket känsliga magnetfältssensorer.
Förutom den sofistikerade matematiken som är involverad i att rekonstruera hastighetsfältet från magnetdata, är huvudutmaningen att mäta de mycket små flödesinducerade magnetfälten, eftersom dessa vanligtvis är cirka två till fem storleksordningar mindre än det applicerade magnetfältet. Med ett excitationsfält på 1 000 mikrotesla är det flödesinducerade magnetfältet som ska mätas ungefär 0,1 mikrotesla.
Som jämförelse är jordens magnetfält, som också registreras och subtraheras från mätvärdena, runt 50 mikrotesla starkt. "Den minsta elektromagnetiska störningen, som till exempel uppstår när elektriska apparater slås på, kan störa mätsignalen och måste filtreras bort. För att minimera påverkan av störningar gör vi bara experiment på natten, säger Wondrak och förklarar måtten.
Var och en av dessa nattmätningar ger en stor mängd experimentell flödesdata som ger forskarna en helt ny insikt i de komplicerade, ständigt föränderliga flödesstrukturerna. Data som erhålls experimentellt är unika, eftersom numeriska simuleringar för samma flödesparametrar av jämförbar varaktighet inte är genomförbara inom en rimlig tid, även i dagens tid av högpresterande datoranvändning.
Wondraks team använder moderna matematiska koncept för att känna igen rumsliga strukturer i komplexa hastighetsfält. Till exempel kunde forskarna identifiera återkommande mönster av en eller flera roterande virvlar som låg ovanpå varandra i kärlet. Detta ger åtminstone lite ordning i det turbulenta kaoset och bidrar bland annat till att bättre förstå sambandet mellan flöde och värmetransport.
Fysikerna kan också överföra kunskapen från laboratorieexperimentet till mycket större dimensioner inom geofysik och astrofysik, såsom flödesprocesser i planeternas och stjärnornas inre, genom att tillämpa dimensionslösa parametrar som har sitt ursprung i likhetsteorin.
Efter att ha visat potentialen med kontaktlös induktiv flödestomografi med den aktuella publikationen, riktar forskarna nu uppmärksamheten mot att vidareutveckla mätmetoden. Tillägget av ett extra magnetiskt magnetfält och användningen av nya typer av magnetfältssensorer lovar en ökad mätnoggrannhet. Wondraks team är optimistiskt att denna metod snart kommer att ge ännu djupare insikter i turbulenta flytande metallflöden.
Mer information: Thomas Wondrak et al, Tredimensionella flödesstrukturer i turbulent Rayleigh–Bénard-konvektion vid lågt Prandtl-tal Pr =0,03, Journal of Fluid Mechanics (2023). DOI:10.1017/jfm.2023.794
Journalinformation: Journal of Fluid Mechanics
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
