Ultraschall-Messsystem mit adaptivem Schallfeld für Turbulenzuntersuchungen in Flüssigmetallströmungen
Die Untersuchung magnetfeldbeeinflusster Strömungsvorgänge in flüssigen Metallen und Halbleitern spielt eine zunehmend stärkere Rolle bei der Optimierung von industriellen Herstellungsprozessen, wie bei der Stahlherstellung oder der Kristallzucht. Eine zentrale Rolle bildet dabei die Charakterisierung von Turbulenz, welche über eine Zweipunkt-Korrelationsfunktion beschrieben werden kann. Dazu muss die Strömungsgeschwindigkeit an zwei Positionen gleichzeitig und mit sehr hoher Ortsauflösung vermessen und der Abstand der Messorte variiert werden. Bisher erfüllt kein verfügbares Messverfahren für Flüssigmetalle diese Anforderungen.
In diesem Forschungsvorhaben soll diese Messaufgabe durch den Einsatz eines Ultraschall-Arrays gelöst werden, welches zwei unabhängige, phasensteuerbare Schallfelder mittels Frequenzmultiplex erzeugt. Damit lässt sich zum einen durch eine Fokussierung die notwendige Ortsauflösung erreichen, zum anderen kann durch Strahlschwenken eine gleichzeitige Messung an unterschiedlichen Orten mit variablem Abstand erfolgen. Damit können erstmals Turbulenzgrößen in Flüssigmetallströmen präzise vermessen werden. Das Messsystem wird an einer Flüssigmetall-Kanalströmung validiert. Weitere Messungen an einer turbulenten Kanalströmung unter Magnetfeldeinfluss sowie der Konfiguration eines untergetauchten Freistrahles dienen zur Demonstration der Messeigenschaften. Mit den bestimmten Turbulenzgrößen besteht die Aussicht, die Materialhomogenität von Metallen und Halbleitern durch maßgeschneiderte Magnetfelder zu verbessern.
Bearbeiter: C. Kupsch, R. Nauber
Zeitraum: 10/2018 – 9/2021
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. Phased array ultrasound system for planar flow mapping in liquid metals, IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, 64(9), 1327-1335.(2017).