Über die Lorentzkraft-getriebene dreidimensionale Strömung um eine magnetische Kugel in einem elektrischen Feld

Im Hinblick auf die in Deutschland beschlossene Energiewende ist die effiziente Energiespeicherung für die Netzstabilität enorm wichtig. Insbesondere für die Langzeitspeicherung gibt es zur Nutzung chemischer Energieträger, vor allem von Wasserstoff und Methanol auf Wasserstoffbasis, kaum Alternativen. Die notwendigen Prozessketten sind jedoch beim Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad alternativen Speichertechniken deutlich unterlegen. Bei der Wasserstoffelektrolyse entstehen Wasserstoff- und Sauerstoffblasen. Diese verringern die Leitfähigkeit des Elektrolyten sowie die effektive Elektrodenoberfläche, was die Effizienz limitiert. Eine signifikante Effizienzsteigerung der Wasserstoffelektrolyse wird daher durch gezielt beschleunigtes Abtragen der Wasserstoffblasen von den Elektrodenoberflächen erwartet. In diesem Zusammenhang wurde in der jüngsten Vergangenheit die Beeinflussung der wandnahen Konvektionsströmung durch elektromagnetische Volumenkräfte, d.h. Lorentzkräfte, untersucht. Dazu stand bisher der makroskopische Einfluss der Lorentzkraft auf die Gesamtströmung im Vordergrund der Arbeit. Für eine genaue Analyse der durch die Volumenkräfte hervorgerufenen Effekte muss das Geschwindigkeitsfeld in der flüssigen Phase – insbesondere um die Gasblase – vermessen werden. Im vorliegenden Beitrag werden nominell parallele elektrische und magnetische Felder betrachtet. Da die Gasblasen nicht elektrisch leitend sind, werden die elektrischen Feldlinien abgelenkt und durch das Kreuzprodukt aus magnetischer Flussdichte und elektrischer Feldstärke entsteht eine Volumenkraft in unmittelbarer Umgebung der Blase. Da die Strömung um eine reale Einzelblase (d ~ 50 mum) messtechnisch schwer zu erfassen ist, sollen die grundlegenden Phänomene an einem größeren Modell untersucht werden.
Die sich einstellende Drehströmung wurde mittels der 2D2C Particle Image Velocimetry in mehreren Ebenen charakterisiert. Anschließend wurde die dreidimensionale Strömung mittels der 3D3C Astigmatism Particle Tracking Velocimetry zeitaufgelöst vermessen, um Partikeltrajektorien im Volumen zu verfolgen. Im finalen Beitrag wird die sich einstellende Strömung anhand der 2D2C/3D3C Ergebnisse neben der Darstellung der beiden Messverfahren ausführlich diskutiert.