Transition to turbulence in liquid metal flow exposed to magnetic field

Samsami, Farzaneh GND

Liquid metal flow interacts with a magnetic field under the influence of Lorentz force. This interaction can lead to a remarkable change in magnetic field or liquid metal flow. The former occurs in geo- and astrophysical dynamos while the latter, which occurs in laboratory scales as well, has applications in liquid metal pumping, stirring, flow measurement, flow stabilization, cooling of fusion reactors, which has recently received a great deal of attention, and investigations of large scale natural phenomena such as tornados. A knowledge of flow structure is essential to improve each of these applications. Thesis at hand extends our knowledge of the basic phenomena. In present research we deal with two fundamental, but totally different, magnetohydrodynamic channel flow experiments. The first experiment is about the transition to turbulence above and behind a permanent magnet in a shallow liquid metal channel, a nominally two-dimensional flow with strong transverse variations of magnetic field, in an unsteady flow regime. Sequence of instabilities that govern the magnetic wake transition as a result of an increase in Lorentz force and as well the vortex dynamic in the area above the magnet is studied. Sequence of instabilities is extracted by careful use of ordinary photography and quantitative analysis of size of vortices and their appearance time. Newly developed techniques make the visualization of velocity and temperature fields at the surface of liquid possible. Flow studies are presented here. In the second experiment we consider the linear stability of electromagnetically driven flow in an annular channel exposed to uniform magnetic field. Developed azimuthal flow in a small annular channel with insulating and conducting walls perpendicular and parallel to the axial magnetic field, respectively is going to be studied. This is a simple test facility used to design and manufacture a scientifically reliable large annular channel aimed for studying laminar/turbulent transition and appearance of intermittent flows, with the largest technically possible outer radius and channel height, thinnest possible channel width and possibility to change the aspect ratio. Application of Ultrasound Doppler Velocimetry to visualize velocity profile, as a big challenge for this special experiment, is proven to be possible. As the second measurement method Potential Drop Velocimetry is used. Results for our small facility, proven to be unaffected by manufacturing and assembling details, are presented here.

Flüssigmetallströmungen interagieren mit Magnetfeldern unter dem Einfluss der Lorentzkraft. Diese Wechselwirkung kann sowohl die Magnetfelder, als auch die Flüssigmetallströmungen signifikant verändern. Ersteres tritt in geo- und astrophysikalischen Dynamos auf. Der letztgenannte Effekt ist bei Anwendungen in elektromagnetischen Pumpen für Flüssigmetalle, in elektromagnetischen Rührern, bei Durchflussmessungen, bei der Strömungsstabilisierung und bei der Kühlung von Fusionsreaktoren zu beobachten bzw. wird dort genutzt. Auch Untersuchungen von großen Naturphänomenen wie Tornados befassen sich mit den Wechselwirkungen von Magnetfeldern und Fluidströmungen. Die Kenntnis des Strömungsverhaltens ist für eine Verbesserung der o.g. Applikationen wesentlich. Die vorliegende Dissertationsschrift ist in diesem Umfeld positioniert und leistet einen Beitrag zur Erweiterung des Wissens über die auftretenden Grundphänomene. Im Fokus der Arbeit stehen zwei Grundlagenexperimente zu magnetohydrodynamischen Kanalströmungen. Im ersten Experiment wird Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung in einem flachen Flüssigmetallkanal hinter einem, unterhalb des Kanals montierten, Permanentmagneten untersucht. Es handelt sich um eine nominell zweidimensionale Strömung mit starker transversaler Variation des Magnetfeldes in einer instationären Strömung. Die Reihenfolge von Instabilitäten in der magnetischen Nachlaufströmung, als Folge zunehmender Lorentzkräfte, sowie die Wirbeldynamik oberhalb des Magneten werden untersucht. Dies wird durch eine Anwendung von klassischer Fototechnik und einer quantitativen Analyse der Wirbelgröße in Verbindung mit der Bestimmung ihres Erscheinungszeitpunktes erreicht. Die Geschwindigkeits- und Temperaturfelder an der Oberfläche des Flüssigmetalls werden dagegen mit Hilfe von neu entwickelten Techniken aufgezeichnet. Im zweiten Experiment wird das lineare Stabilitätsproblem einer elektromagnetisch angetriebenen Strömung in einem ringförmigen Kanal, welcher einem homogenen Magnetfeld ausgesetzt wird, analysiert. Untersucht werden die entstehenden azimutalen Strömungen in einem kleinen ringförmigen Kanal, welcher isolierende Wände senkrecht und elektrisch-leitende Wände parallel zu einem axialen Magnetfeld besitzt. Diese eher einfache Testeinrichtung wird als Ausgangspunkt für den Entwurf eines wissenschaftlich zuverlässigen großen Ringkanals verwendet. Dieser wiederum ist geeignet, um Betrachtungen zum Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung, sowie zum Auftreten sogenannter intermittierender Strömungen anzustellen. Anzustreben ist ein Kanal mit größtmöglichen Außenradius und Kanalhöhe, bei gleichzeitig schmalster Kanalbreite. Auch die Variationsmöglichkeit des Seitenverhältnisses ist für die Untersuchungen vorteilhaft. Die Anwendbarkeit von UDV Geschwindigkeitsprofilmessung (Ultrasound Doppler Velocimetry), welche nachgewiesen wurde, war der Schwerpunkt für dieses zweite Experiment. Eine weitere Messmethode basierte auf dem Einsatz von Potentialsonden zur Geschwindigkeitsmessung (Potential Drop Velocimetry) im Kanal. Die Ergebnisse, basierend auf Messungen am Versuchskanal, waren robust bezüglich technologisch bedingter Herstellungs- und Montageungenauigkeiten.

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Samsami, Farzaneh: Transition to turbulence in liquid metal flow exposed to magnetic field. Ilmenau 2017.

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