Samsami, Farzaneh
[VerfasserIn]
;
Thess, André
[AkademischeR BetreuerIn];
Boeck, Thomas
[Sonstige Person, Familie und Körperschaft];
Pothérat, Alban
[Sonstige Person, Familie und Körperschaft]Technische Universität Ilmenau
Transition to turbulence in liquid metal flow exposed to magnetic field
Hochschulschrift:
Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2016
Anmerkungen:
Das Erscheinungsdatum ist der Tag der Verteidigung
Systemvoraussetzung: Acrobat reader
Beschreibung:
Flüssigmetallströmungen interagieren mit Magnetfeldern unter dem Einfluss der Lorentzkraft. Diese Wechselwirkung kann sowohl die Magnetfelder, als auch die Flüssigmetallströmungen signifikant verändern. Ersteres tritt in geo- und astrophysikalischen Dynamos auf. Der letztgenannte Effekt ist bei Anwendungen in elektromagnetischen Pumpen für Flüssigmetalle, in elektromagnetischen Rührern, bei Durchflussmessungen, bei der Strömungsstabilisierung und bei der Kühlung von Fusionsreaktoren zu beobachten bzw. wird dort genutzt. Auch Untersuchungen von großen Naturphänomenen wie Tornados befassen sich mit den Wechselwirkungen von Magnetfeldern und Fluidströmungen. Die Kenntnis des Strömungsverhaltens ist für eine Verbesserung der o.g. Applikationen wesentlich. Die vorliegende Dissertationsschrift ist in diesem Umfeld positioniert und leistet einen Beitrag zur Erweiterung des Wissens über die auftretenden Grundphänomene. Im Fokus der Arbeit stehen zwei Grundlagenexperimente zu magnetohydrodynamischen Kanalströmungen. Im ersten Experiment wird Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung in einem flachen Flüssigmetallkanal hinter einem, unterhalb des Kanals montierten, Permanentmagneten untersucht. Es handelt sich um eine nominell zweidimensionale Strömung mit starker transversaler Variation des Magnetfeldes in einer instationären Strömung. Die Reihenfolge von Instabilitäten in der magnetischen Nachlaufströmung, als Folge zunehmender Lorentzkräfte, sowie die Wirbeldynamik oberhalb des Magneten werden untersucht. Dies wird durch eine Anwendung von klassischer Fototechnik und einer quantitativen Analyse der Wirbelgröße in Verbindung mit der Bestimmung ihres Erscheinungszeitpunktes erreicht. Die Geschwindigkeits- und Temperaturfelder an der Oberfläche des Flüssigmetalls werden dagegen mit Hilfe von neu entwickelten Techniken aufgezeichnet. Im zweiten Experiment wird das lineare Stabilitätsproblem einer elektromagnetisch angetriebenen Strömung in einem ringförmigen Kanal, welcher einem homogenen Magnetfeld ausgesetzt wird, analysiert. Untersucht werden die entstehenden azimutalen Strömungen in einem kleinen ringförmigen Kanal, welcher isolierende Wände senkrecht und elektrisch-leitende Wände parallel zu einem axialen Magnetfeld besitzt. Diese eher einfache Testeinrichtung wird als Ausgangspunkt für den Entwurf eines wissenschaftlich zuverlässigen großen Ringkanals verwendet. Dieser wiederum ist geeignet, um Betrachtungen zum Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung, sowie zum Auftreten sogenannter intermittierender Strömungen anzustellen. Anzustreben ist ein Kanal mit größtmöglichen Außenradius und Kanalhöhe, bei gleichzeitig schmalster Kanalbreite. Auch die Variationsmöglichkeit des Seitenverhältnisses ist für die Untersuchungen vorteilhaft. Die Anwendbarkeit von UDV Geschwindigkeitsprofilmessung (Ultrasound Doppler Velocimetry), welche nachgewiesen wurde, war der Schwerpunkt für dieses zweite Experiment. Eine weitere Messmethode basierte auf dem Einsatz von Potentialsonden zur Geschwindigkeitsmessung (Potential Drop Velocimetry) im Kanal. Die Ergebnisse, basierend auf Messungen am Versuchskanal, waren robust bezüglich technologisch bedingter Herstellungs- und Montageungenauigkeiten.