3D-Blick ins Chaos

Forschungsteam visualisiert erstmalig temperaturgetriebene Turbulenz in Flüssigmetall.

Experimente mit Flüssigmetallen könnten nicht nur zu spannenden Erkenntnissen über astrophysikalische Strömungsphänomene führen, wie etwa den atmosphärischen Störungen am Sonnenrand. Auch industrielle Anwendungen könnten davon profitieren, zum Beispiel das Abgießen von flüssigem Stahl. Da diese Fluide allerdings intransparent sind, fehlen immer noch geeignete Messtechniken. Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun erstmalig ein detailliertes dreidimensionales Abbild einer turbulenten temperaturgetriebenen Strömung in einem Flüssigmetall erzeugt. In der Zeitschrift Journal of Fluid Mechanics berichten sie von den Herausforderungen, die sie dafür meistern mussten.

Seitdem Forschende die Eigenschaften turbulenter Strömungen in Fluiden erkunden, bedienen sie sich prinzipiell eines zunächst sehr einfach anmutenden Experiments: Sie füllen ihr Fluid in ein Gefäß, dessen Bodenplatte sie erhitzen und dessen Deckel sie gleichzeitig kühlen. Was dabei genau geschieht, erforscht ein Team vom Institut für Fluiddynamik am HZDR. „Überschreitet der Temperaturunterschied im Fluid eine bestimmte Grenze, wird der Wärmetransport drastisch erhöht“, sagt Teamleiter Dr. Thomas Wondrak. Das geschieht, weil sich eine sogenannte konvektive Strömung ausbildet, die die Wärme effektiv transportiert. Dabei dehnt sich die Flüssigkeit am Boden aus, wird leichter und steigt nach oben, während die kälteren Schichten oben aufgrund ihrer höheren Dichte nach unten sinken. „Anfangs bildet sich eine regelmäßige Zirkulation aus, aber bei höheren Temperaturdifferenzen wird die Strömung zunehmend turbulent. Diese dann auch korrekt dreidimensional abzubilden, ist eine Herausforderung“, beschreibt Wondrak kurz die Ausgangslage des Experiments.

Hier kommt die am HZDR entwickelte kontaktlose induktive Strömungstomographie (contactless inductive flow tomography: CIFT) ins Spiel: Mit ihrer Hilfe sind die Forschenden in der Lage, eine dreidimensionale Strömung in elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten zu visualisieren. Dabei nutzen sie das Prinzip der Bewegungsinduktion: Legt man ein statisches Magnetfeld an, wird aufgrund der Flüssigkeitsbewegung ein elektrischer Strom im Fluid erzeugt. Diese Wirbelströme bewirken eine Änderung des ursprünglichen Magnetfeldes, die außerhalb des Gefäßes messbar ist. Auf diese Weise bildet sich die Strömungsstruktur in der Magnetfeldverteilung ab und kann mit einem geeigneten mathematischen Verfahren aus den Messdaten extrahiert werden. Diese Messtechnik hat das Team um Wondrak nun eingesetzt, um die temperaturgetriebene Strömung in einer Gallium-Indium-Zinn-Legierung zu messen, die schon bei rund 10 Grad Celsius schmilzt. Die zentrale Komponente des Experiments ist ein 64 Zentimeter hoher Zylinder, der mit einer ausgeklügelten Anordnung von 68 Sensoren zur Erfassung der Temperaturverteilung sowie 42 hochempfindlichen Magnetsensoren ausgestattet ist und in dem sich rund 50 Liter (ungefähr 350 Kilogramm) Flüssigmetall befinden.

Störungsarme nächtliche Experimente

Neben der anspruchsvollen Mathematik zur Rekonstruktion des Geschwindigkeitsfeldes aus den Magnetdaten liegen die Herausforderungen vor allem bei der Messung der sehr kleinen strömungsinduzierten Magnetfelder, da diese typischerweise etwa zwei bis fünf Größenordnungen kleiner als das angelegte Magnetfeld sind. Bei einem Erregerfeld von 1.000 Mikrotesla liegt das zu messende strömungsinduzierte Magnetfeld bei einer Größenordnung von 0,1 Mikrotesla. Zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld, das auch erfasst und von den Werten der Messung abgezogen wird, ist etwa 50 Mikrotesla stark. „Kleinste elektromagnetische Störungen, die beispielsweise beim Einschalten von elektrischen Geräten entstehen, können das Messsignal überlagern und müssen herausgefiltert werden. Um den Einfluss der Störungen von vorn herein möglichst gering zu halten, experimentieren wir nur nachts“, erläutert Wondrak diese Besonderheit der Messungen.

Jede dieser Nachtmessungen liefert eine große Menge an experimentellen Strömungsdaten, die den Forschenden einen völlig neuartigen Einblick in die komplizierten, sich ständig verändernden Strömungsstrukturen gewähren. Die experimentell erzielten Daten sind einzigartig, da numerische Simulationen für dieselben Strömungsparameter mit vergleichbarer Dauer selbst im heutigen Zeitalter der Hochleistungscomputer nicht in vertretbarer Zeit durchführbar sind.

Wondraks Team wendet moderne mathematische Konzepte an, um in den komplexen Geschwindigkeitsfeldern räumliche Strukturen zu erkennen. So konnten die Wissenschaftler*innen wiederkehrende Muster aus einer oder mehreren im Experimentier-Zylinder übereinanderliegenden rotierenden Wirbel identifizieren. Damit bringen sie zumindest ein wenig Ordnung in das turbulente Chaos und helfen damit unter anderem, den Zusammenhang zwischen Strömung und Wärmetransport besser zu verstehen.

Ausblick: Neue Ziele

Die im Laborexperiment gewonnenen Erkenntnisse können die Physiker*innen durch Anwendung dimensionsloser Kennzahlen, die ihren Ursprung in der Ähnlichkeitstheorie haben, auch auf wesentlich größere Dimensionen in der Geo- und Astrophysik übertragen, etwa auf Strömungsprozesse im Inneren von Planeten und Sternen.

Nachdem die Forschenden mit der aktuellen Veröffentlichung das Potential der kontaktlosen Strömungstomographie unter Beweis gestellt haben, wenden sie sich nun der Weiterentwicklung der Messmethode zu. Die Erweiterung um ein zusätzliches Anregungsmagnetfeld und die Verwendung neuartiger Magnetfeldsensoren versprechen dabei eine Steigerung der Messgenauigkeit. Wondraks Team ist optimistisch, mit dieser Methode bald noch tiefere Einblicke in turbulente Flüssigmetallströmungen zu gewinnen.

Publikation:
T. Wondrak, M. Sieger, R. Mitra, F. Schindler, F. Stefani, T. Vogt, S. Eckert, Three-dimensional flow structures in turbulent Rayleigh–Bénard convection at low Prandtl number Pr = 0.03, in Journal of Fluid Mechanics, 2023 (DOI: 10.1017/jfm.2023.794)

Weitere Informationen:
Dr. Thomas Wondrak
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel.: +49 351 260 2489 | E-Mail: t.wondrak@hzdr.de

Medienkontakt:
Simon Schmitt | Leitung und Pressesprecher
Abteilung Kommunikation und Medien am HZDR
Tel.: +49 351 260-3400 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat sechs Standorte (Dresden, Freiberg, Görlitz, Grenoble, Leipzig, Schenefeld bei Hamburg) und beschäftigt fast 1.500 Mitarbeiter*innen – davon etwa 670 Wissenschaftler*innen inklusive 220 Doktorand*innen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Thomas Wondrak
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel.: +49 351 260 2489 | E-Mail: t.wondrak@hzdr.de

Originalpublikation:

T. Wondrak, M. Sieger, R. Mitra, F. Schindler, F. Stefani, T. Vogt, S. Eckert, Three-dimensional flow structures in turbulent Rayleigh–Bénard convection at low Prandtl number Pr = 0.03, in Journal of Fluid Mechanics, 2023 (DOI: 10.1017/jfm.2023.794)

Weitere Informationen:

https://www.hzdr.de/presse/turbulenz_fluessigmetall