Experimentelle Untersuchung von gekoppelten MHD- und Strahlungseffekten in Rayleigh-Bénard-Konvektion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Karcher
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467227170

Rayleigh-Bénard-Konvektion (RBK) ist ein klassisches Modellexperiment zur Untersuchung von Konvektionsströmungen und natürlichen Wärmeübertragungsprozessen. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technik und mit neuen interdisziplinären Fragestellungen steht die RBK nach einer über hundertjährigen Tradition vor neuen wissenschaftlichen Herausforderungen. Insbesondere spielt bei den gegenwärtig sehr an Bedeutung gewinnenden Disziplinen wie erneuerbare Energien, Energiespeicherung und Luftfahrt der Einfluss von elektromagnetischen Feldern und von Strahlungseffekten in Strömungen mit Wärmeübertragung eine immer wichtigere Rolle. Das vorliegende Projektvorhaben verfolgt das Ziel, experimentelle Grundlagenuntersuchungen zum Strömungs- und Wärmetransportverhalten in der RBK durchzuführen, die durch die kombinierten Effekte von Wärmestrahlung und magnetischen Feldern beeinflusst wird. Die geplanten Modellexperimente sollen durch entsprechende numerische Simulationen unterstützt werden, die jedoch nicht direkt Gegenstand des vorliegenden Förderantrags sind. Hierzu werden bereits vorhandene, institutseigene Rechenprogramme zur RBK unter Magnetfeldeinfluss weiterentwickelt, um den Effekt der Wärmestrahlung zu berücksichtigen. Systematische fundamentale Untersuchengen zu diesen kombinierten Effekten, die für Systeme, die bei hohen Temperaturen und mit elektrisch leitfähigen Fluiden arbeiten, von hoher Bedeutung sind, wurden nach Kenntnis der Antragsteller bisher noch nicht durchgeführt. Aufgrund der vorliegenden Erfahrungen und der vorhandenen experimentellen Infrastruktur wird bei den Modellexperimenten im Temperaturbereich bis 600 K und bei starken Magnetfeldern bis 5 T gearbeitet. Im Zuge des Forschungsprojekts wird mit Prof. Benwen Li von der Dalian University of Technology eine formlose Kooperation vereinbart, wobei dort der Fokus auf dem Hochtemperaturbereich ohne Magnetfeldeinfluss liegen soll. Das erklärte Ziel der geplanten Untersuchungen ist, den funktionalen Zusammenhang des konvektiven Wärmetransports und der entstehenden Strömungsstrukturen in Form der Nusselt-Zahl und der Reynolds-Zahl in Abhängigkeit von den Kontrollparametern Rayleigh-Zahl (thermischen Antrieb), Planck-Zahl (Wärmestrahlung) und Hartmann-Zahl (Magnetfeldeinfluss) zu bestimmen. Dabei spielen auch die Transition von laminarer zu turbulenter bzw. der Übergang in das ultimative Regime eine wichtige Rolle. In Hinblick auf relevante ingenieurtechnische Anwendungen dienen die gefundenen Zusammenhänge u. a. zur Vermeidung von kritischen fluidmechanischen und thermischen Zuständen in Hochtemperatur-Energiespeichern und Flüssigmetall-Batterien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Christian Cierpka
• Kooperationspartner: Professor Dr. Benwen Li