Formung und Kontrolle freier Oberflächen: Experiment

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Karcher
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2001 bis 2007
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5467926

In einer elektrisch leitenden Flüssigkeit können elektrische Ströme durch ein magnetisches Wechselfeld induziert werden. Treten diese Ströme gleichzeitig mit einem Magnetfeld auf, so wirken außerdem Lorentzkräfte auf diese Flüssigkeit. Diese Kräfte können sowohl die Flüssigkeitsströmung als auch die äußere Form der Flüssigkeit beeinflussen. Auf diese Weise lassen sich Formen von Metallschmelzen erzeugen, die ohne ein Magnetfeld nicht stabil existieren können. Die Lorentzkräfte können jedoch nicht beliebig gesteigert und verteilt werden. Neben den Stromwärmeverlusten sind es vor allem hydrodynamische und morphologische Instabilitäten, die heute noch viele praktisch relevante Anwendungen ausschließen. Die physikalischen Wirkmechanismen zur Entstehung und Beeinflussung dieser Instabilitäten sind bislang nur unzureichend verstanden. Das geplante experimentelle Teilprojekt und das damit eng verzahnte theoretische Teilprojekt A-4 haben zum Ziel, zum besseren Verständnis dieser Instabilitäten beizutragen. In den Experimenten wird die Wirkung von starken Lorentzkräften auf Flüssigmetall für zwei Referenzgeometrien untersucht. Bei der Konfiguration "Schale" befindet sich ein tropfenförmiges Flüssigmetallvolumen auf einer flachen, nichtleitenden Unterlage. Diese Konfiguration idealisiert den technisch relevanten Fall einer elektromagnetisch gestützten Badkuppe. Bei der Konfiguration "Ringspalt" ist das Flüssigmetall seitlich von zwei kreisförmigen, nichtleitenden Zylindern eingeschlossen. Diese Konfiguration idealisiert einen elektromagnetischen Stopfen zum Abdichten von aggressiven Schmelzen. Die in den geplanten Experimenten zu variierenden Parameter sind die Stromstärke und Frequenz der felderzeugenden Speisequelle sowie die Geometrie der Schale und des Ringspalts. Die Meßgrößen umfassen neben der Kontur der sich einstellenden Flüssigkeitsoberfläche auch die kritischen Werte für die Stromstärke und Frequenz, bei denen ein Instabilität einsetzt, sowie die kritische Wellenzahl der ersten instabilen Mode. Die experimentellen Ergebnisse werden verglichen mit den Voraussagen der numerischen Simulation und der analytischen Modellierung des kooperierenden theoretischen Teilprojekts A-4.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 421: Magnetofluiddynamik: Strömungsbeeinflussung und Strömungsmessung in elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Dietmar Schulze