Simultaneous measurements of velocity and temperature fields in large aspect ratio Rayleigh-Bénard convection. - In: 13th International Symposium on Particle Image Velocimetry, (2019), S. 457-467
https://athene-forschung.unibw.de/128915
Influence of the illumination spectrum and observation angle on temperature measurements using thermochromic liquid crystals. - In: Measurement science and technology, ISSN 1361-6501, Volume 30 (2019), 8, 084006, Seite 1-12
As measurements of velocity and temperature fields are of paramount importance for analyzing heat transfer problems, the development and characterization of measuring techniques is an ongoing challenge. In this respect, optical measurements have become a powerful tool, as both quantities can be measured noninvasively. For instance, combining particle image velocimetry (PIV) and particle image thermometry (PIT) using thermochromic liquid crystals (TLCs) as tracer particles allows for a simultaneous measurement of velocity and temperature fields with low uncertainty. However, the temperature dependency of the color appearance of TLCs, which is used for the temperature measurements, is affected by several experimental parameters. In particular, the spectrum of the white light source, necessary for the illumination of TLCs, shows a greater influence on the range of color play with temperature of TLCs. Therefore, two different spectral distributions of the white light illumination have been tested. The results clearly indicate that a spectrum with reduced intensities in the blue range and increased intensities in the red range leads to a higher sensitivity for temperature measurements, which decreases the measurement uncertainty. Furthermore, the influence of the angle between illumination and observation of TLCs has been studied in detail. It is shown that the temperature measurement range of TLCs drastically decreases with an increasing angle between illumination and observation. A high sensitivity is obtained for angles in between [phi] = 50˚ and [phi] = 70˚, promising temperature measurements with a very low uncertainty within this range. Finally, a new calibration approach for temperature measurements via the color of TLCs is presented. Based on linear interpolation of the temperature dependent value of hue, uncertainties in the range of 0.1 K are possible, offering the possibility to measure very small temperature differences. The potential of the developed approach is shown at the example of simultaneous measurements of velocity and temperature fields in Rayleigh-Bénard convection.
https://doi.org/10.1088/1361-6501/ab173f
On the challenges for reliable measurements of convection in large aspect ratio Rayleigh-Bénard cells in air and sulfur-hexafluoride. - In: Experimental thermal and fluid science, Volume 109 (2019), article 109841
https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2019.109841
Experimental analysis of superstructures in large-aspect-ratio Rayleigh Bénard convection. - In: DPG-Frühjahrstagung 2019 (DPG Spring Meeting 2019) of the Condensed Matter Section (SKM) together with the Division Radiation and Medical Physics and the Working Groups Equal Opportunities, Industry and Business, Young DPG; Symposia, exhibition of scientific instruments and literature, (2019), DY 5.3
Numerical studies of turbulent Rayleigh-Bénard magnetoconvection in rectangular enclosures. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (vi, 113 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Turbulente Magnetokonvektion in Flüssigmetallen wird in geschlossenen rechteckigen Zellen für starke äußere Magnetfelder durch direkte numerische Simulationen untersucht, welche die quasistatische Näherung anwenden. Das Hauptziel ist es, zu verstehen wie der turbulenten Wärme und Impulstransport beeinflusst wird und wie die Konvektionsstrukturen durch die Magnetfelder umorganisiert werden. In dieser Arbeit werden zwei Systeme untersucht, bei denen die turbulente RB-Konvektion in einem horizontalen Magnetfeld bzw. einem vertikalen Magnetfeld erfolgt. Für das System mit einem horizontalen Magnetfeld wird RB-Konvektion bei einer Rayleigh-Zahl von 1e6 in einer Zelle mit quadratischer Grundfläche und einer langen rechteckigen Zelle untersucht. Unterschiedliche Konvektionsregimes werden identifiziert, welche vom Aspektverhältnis und der Stärke des Magnetfelds abhängen. Das bemerkenswerteste Konvektionsregime, das in der Box mit quadratischer Grundfläche beobachtet wird, ist die Umkehrung der Strömung - ein Reorganisationsprozess der rollenartigen Struktur, die durch ein gemäßigtes Magnetfeld eingeschränkt wird. Das Regime zeigt eine interessante Ähnlichkeit mit der großskaligen Intermittenz in einer Kanalströmung mit einem moderaten Magnetfeld in Spannweitenrichtung. Das interessanteste Konvektionsregime in der langen rechteckigen Zelle ist die verdrillte Walzenstruktur, die aus zwei Walzen mit halber Behälterlänge mit unterschiedlichen Ausrichtungen während der Übergangsperiode besteht. Für das System mit einem vertikalen Magnetfeld wird hauptsächlich RB-Konvektion bei einer Rayleigh-Zahl von 1e6 in einer geschlossenen kubischen Zelle und bei einer hohen Rayleigh-Zahl von 1e7 in einer Zelle mit quadratischer Grundfläche beschrieben. Durch eine Fourier-Analyse werden Konvektionsstrukturen mit abnehmender charakteristischer horizontaler Wellenlänge gefunden während Ha zunimmt. Der turbulente Wärmetransport verteilt sich zunehmend auf Strömungsstrukturen, die an den Seitenwänden anliegen. Ähnlich wie bei rotierender RB-Konvektion bestehen die Seitenwandmoden für Ha oberhalb der Chandrasekhar-Grenze fort. Es erfolgt, eine detaillierte Analyse der komplexen Zweischicht-Struktur dieser Seitenwandmoden, ihrer Ausdehnung in das Zellinnere und der daraus resultierenden Zusammensetzung der Seitenwandgrenzschicht, deren Skalierung mit der Shercliff-Schichtdicke erfolgen kann.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000011
Lorentz force velocimetry in liquid metal two-phase flow applications. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (100 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Zweiphasenströmungen elektrischer leitfähiger Flüssigkeiten treten in einer Reihe von metallurgischen Prozessen auf. Zum Beispiel werden beim Stranggießen von Stahl Argonblasen in die Schmelze eingelassen, um ein Zusetzen des Tauchrohrs durch das Anlagern von Oxiden zu verhindern, die Schmelze in der Kokille zu mischen und zu homogenisieren sowie Verunreinigungen an die Badoberfläche zu transportieren, wo diese dann gezielt abgezogen werden können. Für eine lückenlose Prozess- und Qualitätskontrolle ist es unabdingbar, solche zweiphasigen Strömungstransportvorgänge messtechnisch zu erfassen. Unter den verschiedenen Strömungsmessverfahren für Flüssigmetalle ist die neu entwickelte Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) ein vielversprechender Variante. Sie beruht auf der Messung der strömungsinduzierten Kraft, die sogenannte Lorentzkraft, die auf ein extern in der Nähe der Strömung angeordnetes Permanentmagnetsystem wirkt. Diese Lorentzkraft ist nach den Gesetzmäßigkeiten der Magnetofluiddynamik direkt proportional zur Geschwindigkeit bzw. zur Durchflussmenge der Schmelzenströmung und der elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze. Der wesentliche Vorteil der LKA ist ihr berührungsfreier und nicht intrusiver Charakter, der es auch bei industriellen Anwendungen im Hochtemperaturbereich erlaubt, Messungen zur lokalen Geschwindigkeitsverteilung bzw. Bestimmung des globalen Durchflusses in heißen und chemisch aggressiven Substanzen durchzuführen. Die Funktionalität der LKA wurde bereits in einer Reihe von Laborexperimenten mit der bei Raumtemperatur schmelzflüssigen Modelllegierung GaInSn sowie in Feldtests im Aluminium- und Stahlbereich nachgewiesen. Die vorliegende Arbeit setzt sich zum Ziel, dieses Messverfahren auf Flüssigmetall-Zwei-Phasenströmungen anzuwenden und damit den Einsatzbereich der LKA auf industriell relevante Problemstellungen zu erweitern. Hierzu werden eine Reihe von Modellexperimenten mit der Testschmelze GaInSn durchgeführt, in denen sich elektrisch nicht leitfähige Gasblasen oder Festkörperpartikel bewegen. Das Ziel der Untersuchungen ist die Beantwortung der Frage, ob aus den gemessenen Kraftsignalen reproduzierbare Aussagen über Blasen- bzw. Partikelgröße sowie deren Geschwindigkeit und Position treffen lassen. Die Schwierigkeit bei dieser Aufgabe besteht darin, dass die elektrisch nicht leitfähigen Blasen oder Partikel nicht direkt mittels LKA detektierbar sind, sondern nur ihre dynamischen Wechselwirkungen mit der Schmelze. In allen Experimenten erfolgt die Kraftmessung durch einen interferometrisch-optischen Kraftsensor (IOFS), der an einen kleinen würfelförmigen Permanentmagnet auf NdFeB-Basis gekoppelt ist. Die Kraftsignale für Partikel und Blasen werden erfasst und ausgewertet. Im Detail werden die Abhängigkeit des Maximalwertes der Lorentzkraft vom Partikeldurchmesser, von der Magnetfeldstärke, vom Abstand zwischen Partikel und Wand sowie der Partikelgeschwindigkeit analysiert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die erfolgreiche Anwendung der LKA zur Partikel- oder Blasenerkennung in Flüssigmetallströmungen. Die experimentellen Untersuchungen werden zudem durch entsprechende numerischen Simulationen flankiert. Es zeigen sich gute bis sehr gute Übereinstimmungen zwischen den experimentellen Beobachtungen und den theoretischen Voraussagen. In zwei weiteren Testexperimenten, in denen die Dynamik von aufsteigenden Blasen in einer Hochtemperaturschmelze und unter dem Einfluss eines starken Hintergrundmagnetfelds (bis 1 T) mittels LKA analysiert werden, bestätigen die Leistungsfähigkeit der Messmethode nicht nur unter Laborbedingungen, sondern auch unter rauen industrienahen Produktionsbedingungen.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000035
Combining magnetic forces for contactless manipulation of fluids in microelectrode-microfluidic systems. - In: Scientific reports, ISSN 2045-2322, Bd. 9 (2019), 5103, S. 1-11
A novel method to drive and manipulate fluid in a contactless way in a microelectrode-microfluidic system is demonstrated by combining the Lorentz and magnetic field gradient forces. The method is based on the redox-reaction [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4- performed in a magnetic field oriented perpendicular to the ionic current that crosses the gap between two arrays of oppositely polarized microelectrodes, generating a magnetohydrodynamic flow. Additionally, a movable magnetized CoFe micro-strip is placed at different positions beneath the gap. In this region, the magnetic flux density is changed locally and a strong magnetic field gradient is formed. The redox-reaction changes the magnetic susceptibility of the electrolyte near the electrodes, and the resulting magnetic field gradient exerts a force on the fluid, which leads to a deflection of the Lorentz force-driven main flow. Particle Image Velocity measurements and numerical simulations demonstrate that by combining the two magnetic forces, the flow is not only redirected, but also a local change of concentration of paramagnetic species is realized.
https://doi.org/10.1038/s41598-019-41284-0
Strömungsmessung und Strömungsbeeinflussung in leitfähigen Mehrphasensystemen durch elektromagnetische Kräfte. - Ilmenau, 2019. - X, 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Mehrphasenströmungen sind in Natur und Technik allgegenwärtig. Insbesondere in der Pharma- oder Nahrungsmittelindustrie kommt ihnen eine weitreichende Bedeutung zu. In diesen Branchen wird aus hygienischen Gründen oder aufgrund der Opazität oder chemischen Aggressivität der Flüssigkeiten Wert auf kontaktlose und nichtinvasive Durchflussmessverfahren gelegt. Dabei stoßen viele Messverfahren wegen der Vielzahl an Restriktionen an ihre Grenzen. Für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten ist die auf elektromagnetischen Wechselwirkungen basierende Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) eine vielversprechende Alternative. Bei diesem Verfahren wird das strömende Fluid einem magnetischen Feld ausgesetzt und die generierte Lorentzkraft gemessen. Nachdem die LKA aufgrund der sehr hohen elektrischen Leitfähigkeiten bereits erfolgreich bei Metallschmelzen getestet wurde, lag in den letzten Jahren der Fokus auf der Messung von schwach leitfähigen Fluiden. In der vorliegenden Dissertation wird der Einfluss von dispersen Mehrphasenströmungen auf die LKA untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen bei verschiedenen Strömungsstrukturen eine zumeist hohe Übereinstimmung mit theoretischen Ansätzen. Im Zuge dieser Messungen wurde eine weitere magnetische Kraft ermittelt, die allein auf Suszeptibilitätsunterschieden der verschiedenen Phasen beruht und nicht auf eine Leitfähigkeit des Fluids angewiesen ist. Es wird gezeigt, dass mithilfe dieser Kraft die Vermessung von Schwallströmungen oder einzelnen Tropfen möglich ist. Darüber hinaus befasst sich die Arbeit mit geschichteten Mehrphasenströmungen, die in einem weiteren Experiment mittels rotierenden Lorentzkräften angeregt werden. Diese Strömungen können in Flüssigmetallbatterien auftreten, einen Erfolg versprechenden, neuen Energiespeichertechnologie, bei der drei Fluide übereinander geschichtet sind. Die Experimente bestätigen ein ähnliches Verhalten zwischen den in der Modellzelle angeregten magnetohydrodynamischen Oberflächeninstabilitäten und natürlichen Schwerewellen.
Numerical model for the detection of single particle in two-phase Lorentz force velocimetry. - In: IEEE transactions on magnetics, ISSN 1941-0069, Bd. 55 (2019), 2, S. 4300204, insges. 4 S.
https://doi.org/10.1109/TMAG.2018.2867831
Numerical simulation of electrically conducting jet flow in a straight duct under longitudinal homogeneous magnetic field. - In: Physics of fluids, ISSN 1089-7666, Bd. 31 (2019), 1, 014108, insges. 15 S.
Spatial evolution of electrically conducting jet flow at a supercritical Reynolds number, entering a duct filled with the liquid of the same physical properties, is studied by direct numerical simulations for the case of a streamwise uniform magnetic field. In contrast to the case of a transverse field, here the jet mean velocity does not interact with the streamwise field, and only the turbulent fluctuations of the flow are influenced and suppressed by the field. In this case, the jet saves its energy and has a tendency to spread at much larger distances. Therefore, one interesting and important property of this setup is the flow stabilization, i.e., transition to turbulence can be largely delayed due to the stabilizing effect of the magnetic field. This occurs in the presence of moderate magnetic fields. At strong magnetic fields, the second instability evolves-the jet profile becomes unsteady due to the traveling waves, which propagate along the jet while not interacting with the field. These traveling waves are generated by the interaction of secondary radial flows and magnetic field.
https://doi.org/10.1063/1.5062617