Ultraschall-Messsystem mit adaptivem Schallfeld für Turbulenzuntersuchungen in Flüssigmetallströmungen
Bei vielen technischen Prozessen, die wie bei der Stahlherstellung, der Halbleiterkristallzucht oder Flüssigmetallbatterien flüssige Metalle involvieren, hat die Strömung der Schmelze einen nennenswerten Einfluss auf die Produktqualität und die Prozessausbeute. Turbulente Strömungen bieten dabei den Vorteil eines hohen Wärme- und Stoffaustauschs, sind allerdings nur schwer zu simulieren, da viele Anwendungen Multiskalenprobleme aufwerfen und hochaufgelöste Rechengitter für große und oft komplexe Geometrien benötigt werden. Modellexperimente mit niedrigschmelzenden Metallen bieten den Zugang für die Messtechnik und damit die Möglichkeit, die auftretenden komplexen Strömungsphänomene unter Magnetfeldeinfluss besser zu verstehen, und ermöglichen so eine Prozessoptimierung.
Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, ein Ultraschall-Messsystem mit phasengesteuertem Schallfeld zu realisieren und für die Untersuchung turbulenter Flüssigmetallströmungen im Bereich der Magnetohydrodynamik und thermischen Konvektionsströmungen zu qualifizieren. In der ersten Förderperiode wurde das Ultraschall-Messsystem nach dem Phased-Array-Prinzip mit der Möglichkeit der Strahlfokussierung und -schwenkung aufgebaut, charakterisiert und dessen Funktionsfähigkeit an stationären Flüssigmetallströmungen erfolgreich gezeigt.
Die Arbeiten sollen in diesem Fortsetzungsvorhaben konsequent weiterverfolgt und durch Verbesserung der Messeigenschaften die Einsatzgebiete auf dreidimensionale, hochturbulente Strömungsvorgänge ausgedehnt werden. Durch Nutzung eines korrelationsbasierten Geschwindigkeitsschätzalgorithmus soll die Unsicherheit der schwierig zu erfassenden Lateralkomponente der Geschwindigkeit reduziert werden. Durch sende- und empfangsseitiger Strahlformung mittels Plane Wave Compounding soll eine hohe Ortsauflösung bei gleichzeitiger hoher Zeitauflösung erreicht werden. Zur Bewältigung der dabei anfallenden großen Datenmengen soll eine Datenkomprimierung implementiert und die kontinuierliche Messzeit bis deutlich in den Minutenbereich ausgedehnt werden.
Als Untersuchungsobjekt soll im vorliegenden Projektantrag die Rayleigh-Benard-Konvektion verfolgt werden, da die Eigenschaften des so erweiterten Messsystems erstmals eine detaillierte Vermessung der räumlichen und zeitlichen Struktur der Large Scale Convection in Aussicht stellen. Derartige Konvektionsströmungen besitzen eine hohe Relevanz für natürliche Vorgänge in der Geo- und Astrophysik und für eine Vielzahl industrieller Prozesse. Im Hinblick auf die Energiewende kann dabei auch ein Beitrag zur die Entwicklung von Flüssigmetallbatterien als großskaliger Energiespeicher geleistet werden.
Bearbeiter: C. Kupsch, R. Nauber
Zeitraum: 10/18 - 09/21
Partner: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Dr. Eckert
Application of two independent sound fields to measure the two-point correlation in a flow. a) spatial f-correlation, b) spatial g-correlation, c) temporal correlation
1] Mäder, K., Nauber, R., Galindo, V., Beyer, H., Büttner, L., Eckert, S., & Czarske, J. (2017). Phased array ultrasound system for planar flow mapping in liquid metals. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 64(9), 1327-1335.