Los experimentos con metales líquidos no sólo podrían conducir a interesantes conocimientos sobre fenómenos de flujo geofísicos y astrofísicos, como las perturbaciones atmosféricas en el borde del Sol o el flujo en el núcleo exterior de la Tierra, sino que también podrían fomentar aplicaciones industriales, por ejemplo, la fundición de líquido. acero.
Sin embargo, como los metales líquidos no son transparentes, aún faltan técnicas de medición adecuadas para visualizar el flujo en todo el volumen. Un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha obtenido por primera vez una imagen tridimensional detallada de un flujo turbulento de metal líquido impulsado por la temperatura utilizando un método de desarrollo propio. En el Revista de Mecánica de Fluidos , informan sobre los desafíos que tuvieron que superar en el camino.
Desde que los investigadores investigan las propiedades de los flujos turbulentos en fluidos, han utilizado un experimento que inicialmente parece bastante simple:el fluido se llena en un recipiente/recipiente cuya placa base se calienta y cuya tapa se enfría al mismo tiempo. Un equipo del Instituto de Dinámica de Fluidos de HZDR está investigando los detalles de este proceso.
"Si la diferencia de temperatura en el fluido supera un cierto límite, el transporte de calor aumenta drásticamente", afirma el líder del equipo, el Dr. Thomas Wondrak. Esto sucede porque se forma el llamado flujo convectivo, que transporta el calor de manera efectiva. El líquido del fondo se expande, se vuelve más ligero y asciende, mientras que las capas más frías de la parte superior se hunden debido a su mayor densidad.
"Al principio se forma una circulación regular, pero a mayores diferencias de temperatura el flujo se vuelve cada vez más turbulento. Visualizar correctamente este proceso en las tres dimensiones es un desafío", dice Wondrak, describiendo brevemente la situación inicial del experimento.
Aquí entra en juego la tomografía de flujo inductiva sin contacto (CIFT), una técnica de medición desarrollada en HZDR:con su ayuda, los investigadores pueden visualizar un flujo tridimensional en líquidos eléctricamente conductores. Utilizan el principio de inducción de movimiento:si se aplica un campo magnético estático, se genera una corriente eléctrica en el fluido debido al movimiento del líquido. Estas corrientes parásitas provocan un cambio en el campo magnético original, que se puede medir fuera del recipiente.
De este modo, la estructura del flujo se refleja en la distribución del campo magnético y puede extraerse de los datos de medición mediante un método matemático adecuado. El equipo de Wondrak ha utilizado ahora esta técnica de medición para revelar el flujo impulsado por la temperatura en una aleación de galio, indio y estaño, que se funde a unos 10 grados Celsius.
El componente central del experimento es un cilindro de 64 centímetros de alto que contiene alrededor de 50 litros (aproximadamente 350 kilogramos) de metal líquido, que está equipado con una sofisticada disposición de 68 sensores para registrar la distribución de la temperatura y 42 sensores de campo magnético altamente sensibles.
Además de las sofisticadas matemáticas involucradas en la reconstrucción del campo de velocidad a partir de los datos magnéticos, el principal desafío es medir los muy pequeños campos magnéticos inducidos por el flujo, ya que normalmente son entre dos y cinco órdenes de magnitud más pequeños que el campo magnético aplicado. Con un campo de excitación de 1.000 microteslas, el campo magnético inducido por el flujo que se va a medir es de aproximadamente 0,1 microtesla.
A modo de comparación, el campo magnético terrestre, que también se registra y se resta de los valores de medición, tiene una intensidad de aproximadamente 50 microtesla. "Las interferencias electromagnéticas más pequeñas, que se producen, por ejemplo, al encender aparatos eléctricos, pueden interferir con la señal de medición y deben filtrarse. Para mantener la influencia de las interferencias al mínimo, sólo realizamos experimentos por la noche. " dice Wondrak, explicando las medidas.
Cada una de estas mediciones nocturnas proporciona una gran cantidad de datos de flujo experimentales que brindan a los investigadores una visión completamente nueva de las estructuras de flujo complicadas y en constante cambio. Los datos obtenidos experimentalmente son únicos, ya que las simulaciones numéricas para los mismos parámetros de flujo de duración comparable no son factibles en un período de tiempo razonable, incluso en la era actual de la informática de alto rendimiento.
El equipo de Wondrak utiliza conceptos matemáticos modernos para reconocer estructuras espaciales en campos de velocidad complejos. Por ejemplo, los científicos pudieron identificar patrones recurrentes de uno o más vórtices giratorios que se encuentran uno encima del otro en el recipiente. Esto aporta al menos un poco de orden al caos turbulento y, entre otras cosas, ayuda a comprender mejor la relación entre el flujo y el transporte de calor.
Los físicos también pueden transferir el conocimiento adquirido en el experimento de laboratorio a dimensiones mucho mayores en geofísica y astrofísica, como los procesos de flujo en el interior de planetas y estrellas, aplicando parámetros adimensionales que tienen su origen en la teoría de la similitud.
Tras haber demostrado con la publicación actual el potencial de la tomografía de flujo inductiva sin contacto, los investigadores ahora centran su atención en seguir desarrollando el método de medición. La adición de un campo magnético de excitación adicional y el uso de nuevos tipos de sensores de campo magnético prometen un aumento de la precisión de las mediciones. El equipo de Wondrak es optimista y cree que este método pronto proporcionará conocimientos aún más profundos sobre los flujos turbulentos de metales líquidos.
Más información: Thomas Wondrak et al, Estructuras de flujo tridimensionales en convección turbulenta de Rayleigh-Bénard con un número de Prandtl bajo Pr =0,03, Journal of Fluid Mechanics (2023). DOI:10.1017/jfm.2023.794
Información de la revista: Revista de Mecánica de Fluidos
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
