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Dr. Thomas Wondrak
Magnetohydrodynamics
t.wondrakAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2489
Fax: +49 351 260 - 12489

Nachwuchsgruppe Messtechnik in Flüssigmetallen

CIFT für den kontinuierlichen Strangguss

Metallschmelzen spielen eine große Rolle in der Metallurgie (Stranggießen von Stahl), in der Kristallzüchtung, bei der Kühlung von Kraftwerken und auch in der Grundlagenforschung bei magnetohydrodynamischen Instabilitäten oder beim Dynamo-Effekt. In diesen Anwendungen sind die wichtigsten Eigenschaften die lokalen und globalen Strömungsgeschwindigkeiten, Druck, Temperatur und im Falle einer Zweiphasenströmung die Blasenverteilung, die lokale Blasengröße und die Geschwindigkeit der Blasen.

Obwohl bereits eine Reihe etablierter optischer Messmethoden für durchsichtige Medien wie Wasser oder Luft existieren, gibt es fast keine kommerziell verfügbaren Techniken, wenn es um entsprechende Messaufgaben in Flüssigmetallen wie Stahl, Silizium oder Natrium geht. Nicht nur die hohe Temperatur von flüssigen Metallen – beispielsweise beträgt die Schmelztemperatur von Stahl ungefähr 1500 °C – sondern auch ihre Undurchsichtigkeit stellen für die Messtechnik eine große Herausforderung dar. Die eingeschränkte Verfügbarkeit von leistungsfähigen Messtechniken für Flüssigmetallströmungen ist eine wesentliche Einschränkung für die praktische Untersuchung dieser Strömungen.


Forschungsthemen

Das zentrale Thema dieser Nachwuchsgruppe ist die Entwicklung und Anwendung von Messtechniken für Flüssigmetalle, da die Verfügbarkeit von geeigneten Methoden eine essentielle Notwendigkeit für experimentelle Arbeiten für Flüssigmetalltechnologien darstellt. Als Teil der Helmholtz-LIMTECH-Allianz bündeln wir die Erfahrungen mit unterschiedlichen Messtechniken von den Partnern der Allianz zu einem breit gefächerten Werkzeugkasten an Methoden zur Messung der Eigenschaften von Flüssigmetallströmungen. Dies führt zu den folgenden drei Hauptaufgaben unserer Arbeit:

  • Verbesserung bestehender Messtechniken mit Hinblick auf die mehrdimensionale Strömungsmessung mit hoher Bildrate und exzellenter räumlicher Auflösung zur Untersuchung von turbulenten, dreidimensionalen Strömungen
  • Charakterisierung von Flüssigmetall-Zweiphasenströmungen mit Ultraschall- und Röntgenverfahren. Bildgebende Verfahren spielen eine zunehmende wichtigere Rolle sowohl in der Untersuchung von komplexen Strömungen als auch in der effizienten Validierung numerischer Simulationen
  • Entwicklung von Benchmark-Experimenten zum Vergleichen der verschiedenen Messtechniken.

Messtechniken

Folgende drei Messtechniken werden in dieser Arbeitsgruppe weiterentwickelt:

  • Die Berührungslose Induktive Strömungstomographie (Contactless Inductive Flow Tomography, CIFT), die am HZDR entwickelt wird, ermöglicht die Rekonstruktion des Geschwindgkeitsfelds in der Schmelze aus der außerhalb der Schmelze gemessenen stömungsinduzierten Verzerrung eines angelegten Magnetfelds. In einem Demonstrationsexperiment konnte gezeigt werden, dass das mittlere dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld in einem mit Flüssigmetall gefüllten Zylinder rekonstruiert werden kann. Diese Methode wurde bereits zur Visualisierung der zweidimensionalen Strömung in einem Modell einer Kokille an der LIMMCAST-Anlage am HZDR eingesetzt.
  • Die Lorentz Force Velocimetry (LFV), entwickelt an der Universität Ilmenau, misst die strömungsinduzierte Kraft auf einen Permanentmagneten in der Nähe eines Rohres mit Flüssigmetall. Aus dieser Kraftmessung lässt lässt sich der Durchfluss und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit bestimmen. Diese Technik steht kurz vor ihrem Einsatz in der Aluminium- und Stahlherstellung. Vor kurzen konnte gezeigt werden, dass unter Einsatz eines sehr kleinen Magneten mit dieser Methode auch die wandnahe Strömung lokal bestimmt werden kann.
  • Die an der Universität Dresden entwickelte Ultrasound Transit-Time Technique (UTTT) ermöglicht die Bestimmung der Größe und Geschwindigkeit von Gasblasen in Flüssigmetallen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Laufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen dem Ultraschall-Sender/Empfänger und der reflektierenden Blase gemessen wird. Von der Laufzeit kann auf die Position der Blase in Richtung des Ultraschallimpulses geschlossen werden. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Anordnungen der Ultraschallwandler können die Geschwindigkeit und Größe der Gasblasen in Verbindung mit ihrer räumlichen Verteilung bestimmt werden.

Gruppenmitglieder

Dr. Thomas Wondrak (HZDR) Gruppenleiter

Matthias Ratajczak (HZDR) Contactless Inductive Flow Tomography

Thomas Richter (TU Dresden) Ultrasound Transit-Time Technique

Daniel Hernandez (TU Ilmenau) Lorentz Force Velocimetry

Dennis Otte (KIT) induktive Blasendetektion

Ehemalige Arbeitsgruppenmitglieder

Dr. Christiane Heinicke


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