Thermal convection experiments in liquid metal flows with and without magnetic field

Zürner, Till

The interaction of electrically conducting fluid flows with magnetic fields appears in numerous natural phenomena and technical applications. Since the relevant fluids – such as liquid metals and plasmas – are generally very hot, the flows are often accompanied or even driven by thermal convection. The study of this so-called magnetoconvection is thus of interest for a number of physical systems. Two aspects are investigated in this thesis. The first concerns the case when an imposed magnetic field does not alter the fluid flow. The second case explores the changes of the flow structure and global transport properties in the presence of strong magnetic fields. The first point is relevant for inductive measurement techniques, which are required to probe the flow without disturbing it. Here, the size of the fluid volume affected by a localised magnetic field is of major importance. This topic is investigated theoretically by deriving an algorithm to calculate the penetration depth of the magnetic field into the medium. This allows the prediction of a magnetic field strength, above which a flow is significantly disturbed. The theoretical results are verified for the measurement method of local Lorentz force velocimetry which is applied to a vertical convection flow. The second point is investigated experimentally for a Rayleigh-Bénard convection system that is subject to a homogeneous vertical magnetic field. The set-up consists of a cylindrical cell of aspect ratio one. The large-scale flow structure is monitored using temperature measurements and ultrasound Doppler velocimetry. The evolution of the flow with increasing magnetic field strength is classified into different regimes and compared with theoretical predictions, and numerical simulations. Global transport properties of the flow concerning its momentum, and the heat passing through the fluid are analysed and their behaviour is interpreted in light of the aforementioned flow regimes. Additionally, a new theoretical model is developed to predict the turbulent heat and momentum transfer in the fluid by extending the Grossmann-Lohse theory for the classical Rayleigh-Bénard convection setting by the effects of a vertical magnetic field. Experimental data of the present study and from literature are used to verify and enhance the model, and to identify relevant physical mechanisms responsible for the observed results.

Die Wechselwirkung zwischen elektrisch leitfähigen Fluiden und Magnetfeldern tritt in zahlreichen natürlichen Phänomenen und technischen Anwendungen auf. Weil die dabei relevanten Medien - meist Flüssigmetalle oder Plasmen - im Allgemeinen sehr heiß sind, werden die Strömungen meist von thermischer Konvektion begleitet oder werden sogar von dieser getrieben. Das Phänomen der sogenannten Magnetokonvektion ist damit von Interesse für eine große Anzahl physikalischer Systeme. Die vorliegende Arbeit untersucht hierbei zwei Aspekte. Zum einen wird der Fall betrachtet, wenn ein aufgeprägtes Magnetfeld das Strömungsfeld nicht verändert. Zum anderen werden die Modifizierungen von Strömungsstruktur und globalen Transporteigenschaften durch starke Magnetfelder untersucht. Der erste Fall ist wichtig für induktive Messtechniken, welche die Bewegung eines Mediums untersuchen müssen, ohne dieses dabei zu stören. Die Größe des Fluidvolumens, welches von einem örtlich begrenzten Magnetfeld beeinflusst wird, ist hier ein äußerst wichtiger Faktor. Dieses Thema wird untersucht, indem die Eindringtiefe des Magnetfeldes in das Medium theoretisch hergeleitet wird. Das erlaubt die Vorhersage einer Magnetfeldstärke, oberhalb derer eine Strömung maßgeblich gestört wird. Die theoretischen Ergebnisse werden mittels experimenteller Messungen überprüft. Dazu wird die Messmethode der lokalen Lorentzkraft-Anemometrie auf eine vertikale Konvektionsströmung angewandt. Für den zweiten Fall wird das System der Rayleigh-Bénard Konvektion unter einem homogenen, vertikalen Magnetfeld experimentell untersucht. Der Aufbau besteht aus einer zylindrischen Zelle mit einem Aspektverhältnis von eins. Die großskalige Struktur der Strömung wird mittels Temperaturmessungen und Ultraschall Doppler Anemometrie überwacht. Die Entwicklung der Strömung mit ansteigender Magnetfeldstärke kann in verschiedene Regime kategorisiert und mit theoretischen Vorhersagen sowie numerischen Simulationen verglichen werden. Globale Transporteigenschaften des Systems bezüglich Impuls und übertragener Wärme werden analysiert und ihr Verhalten anhand der zuvor gefundenen Strömungsregime interpretiert. Zusätzlich wird ein theoretisches Modell entwickelt um den turbulenten Wärme- und Impulstransport vorherzusagen. Dazu wird die Großmann-Lohse Theorie für klassische Rayleigh-Bénard Konvektion durch den Effekt eines vertikalen Magnetfeldes erweitert. Die experimentellen Daten aus der vorliegenden Arbeit und aus der Literatur werden genutzt, um dieses Modell zu verifizieren und zu optimieren. Dabei werden physikalische Prozesse identifiziert, welche maßgeblich zu den beobachteten Ergebnissen beitragen.

Cite

Citation style:
Could not load citation form.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export