3D-Blick ins turbulente Chaos

Experimente mit Flüssig­metallen könnten nicht nur zu spannenden Erkenntnissen über geo- und astro­physikalische Strömungsphänomene führen, wie etwa den atmo­sphärischen Störungen am Sonnenrand oder der Strömung im äußeren Erdkern. 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 mit einem vor Ort entwickelten Verfahren ein detailliertes drei­dimensionales Abbild einer turbulenten temperatur­getriebenen Strömung in einem Flüssig­metall erhalten. 

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 Thomas Wondrak. Das geschieht, weil sich eine konvektive Strömung ausbildet, die die Wärme effektiv transportiert. „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“, sagt Wondrak.

Hier kommt die eigens entwickelte kontaktlose induktive Strömungs­tomographie (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 zehn 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 fünfzig Liter Flüssig­metall befinden.

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 eintausend Mikrotesla liegt das zu messende strömungs­induzierte Magnetfeld bei einer Größen­ordnung von 0,1 Mikrotesla. „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.

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 Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler 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. Die im Laborexperiment gewonnenen Erkenntnisse können die Forschenden 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 nun 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.

HZDR / JOL