Ultraschallströmungsmesstechnik
Motivation
In einer Vielzahl von industriellen Prozessen spielen flüssige Metallen eine wichtige Rolle, wie beispielsweise im Stahlstrangguss oder in der Halbleiterkristallzucht für die Mikrochip- oder Solarindustrie. Diese Verfahren haben gemeinsam, das sich durch gezielte Beeinflussung der Strömungsstrukturen des flüssigen Metalls die Qualität des Endproduktes sowie der Ertrag als auch die Energieeffizienz des Prozesses verbessern lässt. Eine elegante Möglichkeit zur Strömungsbeeinflussung stellt dabei die Anwendung von zeitveränderlichen magnetischen Feldern dar. Ihren Einfluss auf das elektrisch leitende Medien untersucht die Magnetohydrodynamik. Neben numerischen Simulationen sind zum Verständnis dieser komplexen Zusammenhänge besonders auch Experimente vonnöten, bei denen Strömungsstrukturen erfasst werden müssen.
Anforderungen
Um komplexe Strömungsphänomene zu interpretieren und daraus allgemeine Zusammenhänge für das Zusammenwirken von magnetischen Feldern und leitfähigen Flüssigkeiten abzuleiten, bedarf es einer zeitlich und örtlich aufgelösten Geschwindigkeitsmesstechnik. Es sollen dabei ganze 2D Geschwindigkeitsfelder in mehreren Ebenen gleichzeitig aufgezeichnet und anschließend visualisiert werden.
Warum Ultraschall?
Da gute elektrische Leiter undurchsichtig sind, kommen für die Strömungsmessungen in flüssigen Metallen keine optischen Methoden in Frage. Ein etabliertes und bereits in der Medizin und in verschieden Industriezweigen eingesetztes Verfahren ist die Ultraschall-Doppler-Velozimetrie (UDV). Sie erlaubt eine nicht-invasive Geschwindigkeitsmessung in einer Vielzahl von Flüssigkeiten wie beispielsweise Abwasser, Joghurt, Schokolade und eben auch in flüssigen Metallen.
Das Messsystem
An der MST wurde ein modulares und flexibles Messsystem zur Strömungsmessung aufgebaut, das "Phased Array Ultrasound Doppler Velocimeter" (PAUDV, siehe Bild 1). Es nutzt speziell gefertigte Arrays aus bis zu 256 Ultraschallwandlern, die kurze Impulse aussenden und die im Medium reflektierten Echos empfangen. Durch eine zeitlich präzise Ansteuerung der Wandler im Nanosekundenbereich wird eine elektronische Strahlformung nach dem Phased-Array-Prinzip umgesetzt und so eine örtliche Auflösungen <1mm erreicht. Durch eine Signalverarbeitung auf einem Field Programmable Gate Array (FPGA) werden aus den digitalisierten Echosignale Geschwindigkeiten berechnet und dann zu einer Strömungsvisualisierung mit einer Bildrate >30Hz zusammengesetzt.
Ergebnisse
Mittels des Messsystems konnten die Strömungsstrukturen in verschiedenen Modellexperimenten aufgeklärt werden. So konnte das Verhalten beim Übergang von laminarer zur turbulenter Strömung in einem würfelförmigen Gefäßen erfasst werden, was für die Grundlagenforschung der Magnetohydrodynamik relevant ist. Des Weiteren sollen in Modellen des Stahlstrangusses und der Kristallzucht bei Photovoltaik-Wafern der Einfluss von Magnetfeldern auf die Strömung der flüssigen Metalle untersucht werden.
Folgende Forschungsprojekte werden in diesem Feld bearbeitet: