Untersuchung der Dynamik thermischer Grenzschichten bei turbulenter Flüssigmetallkonvektion durch Ultraschall-Lokalisierungsmikroskopie von wandnahen Geschwindigkeitsfeldern und Temperaturmessungen

• Antragsteller: Dr. Lars Büttner; Dr.-Ing. Sven Eckert
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512483557

Die Dynamik und Wechselwirkung von thermischen und viskosen Grenzschichten (englisch: boundary layer - BL) wird experimentell in hochturbulenter Flüssigmetallkonvektion bei kleinen Prandtl-Zahlen (Pr) in der ternären Legierung GaInSn (Pr = 0,03) untersucht. Die Rayleigh-Bénard-Konvektion bei großen Rayleigh-Zahlen (Ra) von bis zu Ra ≅ 5x10e9 ist durch ein vollständig turbulentes Strömungsfeld gekennzeichnet, wobei das Temperaturfeld aufgrund der hohen thermischen Diffusivität eine deutlich höhere Kohärenz aufweist als das Geschwindigkeitsfeld. Eine entscheidende Rolle für den Wärmetransport in der turbulenten Konvektion spielen die BL's. Hier zeigt sich eine Besonderheit von Flüssigmetallen, die bisher kaum erforscht ist: Die viel dünnere viskose Grenzschicht ist in die thermische Grenzschicht eingebettet. Daher wird die thermische BL und damit der konvektive Wärmetransport stark von der turbulenten großräumigen Konvektion (englisch: large scale convection - LSC) beeinflusst. Der hier betrachtete Parameterbereich war bisher für direkte numerische Simulationen unzugänglich. Um die Wechselwirkung zwischen BL's und LSC erstmals in Flüssigmetall-Laborexperimenten im Detail zu untersuchen, beinhaltet die Studie gezielte Untersuchungen zu neuartigen Messmethoden. Wandnahe Geschwindigkeiten sollen mit Hilfe der Ultraschall-Lokalisierungsmikroskopie (ULM) gemessen werden. Zur Anwendung dieser superauflösenden Methode werden Untersuchungen zu adaptiven nichtlinearen Strahlformungstechniken zur Lokalisierung von Teilchenbewegungen im Mikrometerbereich durchgeführt. Außerdem wird eine zusammengesetzte Abbildung mit zwei gegenüberliegenden Phased-Array-Sonden untersucht, um eine ausreichende räumliche Auflösung über die gesamte Messtiefe zu erhalten. Beide Methoden sind neuartige Anwendungen in der Ultraschallbildgebung. Um räumlich aufgelöste Temperaturdaten in der Schmelze zu erhalten, werden faseroptische Sensormessungen eingesetzt. Die Anwendung von faseroptischen Bragg-Gittern ist eine neuartige Methode, um Temperaturfelder in Flüssigmetallströmungen zu erhalten. Die Experimente, in denen wandnahe Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten in turbulenter Konvektion mit hoher Auflösung gemessen werden, setzen einen neuen Meilenstein für das Verständnis konvektiver Transportprozesse in Flüssigkeiten bei kleinen Pr mit ihren zahlreichen Anwendungen in geo- und astrophysikalischen Strömungen sowie in technischen Systemen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske; Dr.-Ing. Tobias Vogt