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In engine coolers of off-highway vehicles convective heat transfer at the coolant side is a limiting factor of both efficiency and performance density of the cooler. Here, due to design restrictions, backwater areas and stagnation regions appear that are caused by flow deflections and cross-sectional expansions. As appropriate coolants, mixtures of water and glysantine are commonly used. Such coolants are characterized by their electrical conductivity of some S/m. This gives rise to control coolant flow and therefore convective heat transfer by means of Lorentz forces. These body forces are generated within the weakly conducting fluid by the interactions of an electrical current density and a localized magnetic field both of which being externally superimposed. In application this may be achieved by inserting electrodes in the cooler wall and a corresponding arrangement of permanent magnets. In this paper we perform numerical simulations of such magnetohydrodynamic flow in three model geometries that are frequently apparent in engine cooling applications: Carnot-Borda diffusor, 90˚ bend, and 180˚ bend. The simulations are carried out using the software package ANSYS Fluent. The present study demonstrates that, depending on the electromagnetic interaction parameter and the specific geometric arrangement of electrodes and magnetic field, Lorentz forces are suitable to break up eddy waters and separation zones and are thus significantly increasing convective heat transfer in these areas. Furthermore, the results show that due to the action of the Lorentz forces the hydraulic pressure losses can be reduced.

The scaling theory of Grossmann and Lohse [J. FluidMech. 407, 27 (2000)] for turbulent heat and momentum transfer is extended to the magnetoconvection case in the presence of a (strong) vertical magnetic field. A comparison with existing laboratory experiments and direct numerical simulations in the quasistatic limit allows us to restrict the parameter space to very low Prandtl and magnetic Prandtl numbers and thus to reduce the number of unknown parameters in the model. Also included is the Chandrasekhar limit, for which the outer magnetic induction field B is large enough such that convective motion is suppressed and heat is transported by diffusion. Our theory identifies four distinct regimes of magnetoconvection that are distinguished by the strength of the outer magnetic field and the level of turbulence in the flow, respectively.

Die Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) ist ein berührungsloses elektromagnetisches Strömungsmessverfahren. Das Grundprinzip dieses Verfahrens kann wie folgt beschrieben werden: befindet sich ein Magnet in der Nähe einer sich bewegenden, elektrisch leitfähigen Flüssigkeit so erfährt dieser die Lorentzkraft. Diese Kraft ist von der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit linear abhängig. Da dieses Messverfahren berührungslos ist, ist es gut geeignet für industrielle Anwendungen wo mit heißen und aggressiven Metallenschmelzen gearbeitet wird. Dennoch gibt es einen grundsätzlichen physikalischen Effekt der bei hohen magnetischen Reynoldszahlen Rem auftritt und den Anwendungsbereich einschränkt. Dieser Effekt äußert sich zum Beispiel dadurch, dass das vom Magneten erzeugte Magnetfeld verzerrt wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit hoch ist. Dadurch ist der Zusammenhang zwischen Kraft und Geschwindigkeit nicht mehr linear und es kommt zu Messfehlern. Das Ziel der Promotion besteht darin, die grundsätzlichen Aspekte dieses physikalischen Effektes theoretisch und experimentell zu untersuchen und zu beschreiben. Somit wird auch eine wichtige Voraussetzung geschaffen, die es ermöglicht, das Anwendungsspektrum des LKA-Verfahrens zukünftig zu erweitern. Die vorliegende Arbeit besteht aus fünf Kapiteln. Im ersten Kapitel werden eine Einführung zur Thematik gegeben und die wesentlichen Aspekte des LKA-Verfahrens bei mittleren Werten für Rem erläutert. Im darauffolgenden Kapitel wird ein theoretisches quasi-2D Modell entwickelt, welches die Erzeugung der Lorentzkraft in einem elektrisch leitfähigen Festkörper veranschaulicht. Im dritten Kapitel werden die dazugehörigen Modellexperimente mit metallischen Festkörpern beschrieben und die dazugehörigen Messergebnisse analysiert. Das vierte Kapital umfasst Versuche mit flüssigem Natrium das mit Geschwindigkeiten von bis zu 30 m/s am Magneten vorbeiströmt. Derartige Experimente zur Lorentzkraft-Anemometrie wurden weltweit erstmalig durchgeführt. Bei den Versuchen wurden die Lorentzkraft und das Magnetfeld lokal gemessen. Die Ergebnisse bilden eine wichtige Grundlage für zukünftige Anwendungen des LKA-Verfahrens und komplementieren die gesammelten Erfahrungen zu dieser Technologie bei niedrigen magnetischen Reynoldszahlen. Im letzten Kapital werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefaßt.

Lorentzkraft Sigmometrie "LOFOS" ist eine neuartige Technik zur Messung unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften von Flüssigmetall, wie der elektrischen Leitfähigkeit, Viskosität oder Dichte. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Messung der elektrischen Leitfähigkeit von festen und flüssigen Metallen mit dem sogenannten mobilen LOFOS. Diese Technik basiert auf den Grundsätzen der Magnetohydrodynamik: Durch die Bewegung eines elektrischen Leiters in einem von außen angelegtem Magnetfeld werden Wirbelströme innerhalb des Leiters induziert. Nach dem Ampereschen Gesetz erzeugen diese Wirbelströme wiederrum ein sekundäres Magnetfeld. Durch Wechselwirkung zwischen den Wirbelströmen und dem magnetischen Gesamtfeld entstehen Lorentzkräfte, die den Fluss abschwächen. Nach Newtons drittem Gesetz (actio und reactio) wirken die Lorentzkräfte auch auf den Magneten mit gleichem Betrag, aber in entgegengesetzter Richtung [Thess:2007]. Diese Kraft kann gemessen werden und ist proportional zu der elektrischen Leitfähigkeit des flüssigen oder festen Leiters. Diese Tatsache wird für die kontaktlose Geschwindigkeitsmessung "Lorentz force velocimetry" und für die Erkennung von Defekten in Festkörpern "Lorentz force eddy current testing" genutzt. Ziel dieser Arbeit ist es zu testen und zu zeigen, dass LOFOS erfolgreich die elektrische Leitfähigkeit von festen und flüssigen Metallen messen kann. Mehrere Experimente wurden durchgeführt um dieses zu zeigen, beginnend mit festen Zylindern aus Kupfer, Aluminium und Messing, die eine Länge von 300 mm und einem Durchmesser von 10 mm haben. Die ersten Experimente wurden an Metallen mit bekannter elektrischer Leitfähigkeit durchgeführt (Aluminium und Kupfer), um den Kalibrierungsfaktor zu ermitteln. Dieser Kalibrierungsfaktor wurde dann benutzt um die Leitfähigkeit eines Zylinders aus Messing zu messen [Alkhalil: 2015]. Die Anordnung von LOFOS für die Messung an Festkörpern bedarf einiger technischer Veränderungen im Vergleich zu der Messung an Fluiden. Diese Veränderungen sind nötig um die Zeit der Wechselwirkung zwischen Festkörper und externen magnetischen Feld, welches durch einen Halbach Zylinder Magneten erzeugt wird, zu verlängern. Die zweite Reihe an Experimenten erfolgte mit Flüssigmetall. Zu Beginn wurde die Legierung Ga67In20.5Sn12.5 verwendet, deren physikalische Eigenschaften bekannt sind. Diese eutektische Legierung hat einen Schmelzpunkt von 10.5 ˚C und ist daher flüssig bei Raumtemperatur, wohingegen die zweiten Versuche mit flüssigem Zinn durchgeführt wurden, welches einen Schmelzpunkt von 232 ˚C hat. Für die Strömungsmessungen fertigten wir einen speziellen kegelförmigen Behälter aus Quarz an, welcher Temperaturen von Raumtemperatur bis zu 1000 ˚C aushält. Die Düse hat einen Durchmesser von 8 mm und ermöglicht den Durchfluss von flüssigem Metall durch das Magnetsystem in Dt=5s, was notwendig für die Messung der Lorentzkraft mit hoher Genauigkeit ist. Um das LOFOS Lorentzkraft Messsystem vor hohen Temperaturen zu schützen, haben wir eine externe Luftkompressor Pumpe hinzugefügt. Beide Experimente bestätigen, dass Lorentzkraft Sigmometrie die elektrische Leitfähigkeit von festen und flüssigen Metall ermitteln kann. Der Fehler für die Messungen an Festkörpern beträgt bis zu 5%, für die Messungen an flüssigem Metall bis zu 10%.

We present results from numerical reconstructions of magnetic obstacle experiments in which a moving permanent magnet drives a free-surface flow in a container filled with liquid metal (GaInSn). The results cover different flow regimes, such as stationary (in the reference system of the moving magnet) so-called six vortex structures, as well as time-dependent flows. The numerical results show that - although the liquid metal layer is thin - the flow structure is highly three dimensional. We conclude that the experimental technique for streamline visualization (gas bubbles at the surface of the liquid metal) is insufficient to picture the occurring flow structure. To underpin our conclusion, we introduce a modified numerical model that aims to mimic the movement of the gas bubbles. The results of the modified model and the experiments are in excellent agreement. Furthermore, Lorentz forces obtained from simulations match well with those from the experiments.