Elektromagnetische Strömungskontrolle in schwach leitfähigen Fluiden

Strömungskontrolle ist vielerorts wünschenswert, z. B. um den Energiebedarf von Fahrzeugen zu senken oder bestimmte Wirkungen, wie erhöhten Auftrieb beim Landen oder Starten von Flugzeugen, zu erzielen. Besitzen die betrachteten Fluide eine gewisse, wenn auch geringe elektrische Leitfähig - wie Meerwasser und ionisierte Luft beispielsweise - besteht die Möglichkeit, mit elektromagnetischen Kräften kontaktlos auf die Strömung einzuwirken. Das nebenstehende Bild zeigt dies am Beispiel der Ablösungsunterdrückung an einem angestellten Profil, das hier einfach durch eine schräg gestellte Platte gebildet wird. Die Platte ist mit Permanentmagneten und Elektroden ausgerüstet. Sobald Strom von den Elektroden in die Flüssigkeit fließt, entsteht in der plattennahen Grenzschicht aus dem Kreuzprodukt von Stromdichte und magnetischem Feld eine wandparallele Lorentzkraft in Strömungsrichtung, die die Strömung anlegt. Dadurch steigt der - hier nach unten gerichtete - Auftrieb der Platte und ihr Widerstand sinkt drastisch ab.

Die oben beschriebene Art der Ablösungsunterdrückung ist sehr energieaufwendig, da der komplette Impulsbedarf für das WIederanlegen der Strömung durch die Lorentzkraft aufgebracht werden muss. Eine energetisch günstigere Variante ist die Einwirkung von zeitlich periodischen Lorentzkräften lediglich an der Profilvorderkante, wodurch die ablösende Scherschicht angeregt wird und über Wirbelbildung Impuls aus der freien Strömung ins Ablösegebiet transportiert. Im zeitlichen Mittel bewirkt dies ebenfalls eine drastische Auftriebserhöhung jedoch ist dafür deutlich weniger Energieaufwand nötig.

Ein vielversprechendes Einsatzgebiet für die elektromagnetische Strömungskontrolle sind elektrochemische Prozesse, da dort mit dem bereits vorhandenen Stromfluss gearbeitet werden kann und dadurch bis auf den Einsatz von Permanentmagneten kein nennenswerter Zusatzaufwand für die Lorentzkraft zu erbringen ist.

Allgemeinverständliche Einführungen in das Thema der Strömungsbeeinflussung mit elektromagnetischen Kräften gab es im Rahmen der Dresdner Langen Nächte der Wissenschaft, zu den Tagen des Offenen Labors und auch zur Lehrerfortbildung. Eine recht aktuelle zusammenfassende Darstellung in Englisch bietet die Aufzeichnung (link geht zu Youtube) eines Vortrags auf der EuMHD Summer School 2022.

Veröffentlichungen 

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B. Monnier, D. R. Williams, T. Weier, T. Albrecht: Comparison of a Separated Flow Response to Localized and Global-type Disturbances, Experiments in Fluids 57 (2016), 114. 10.1007/s00348-016-2199-4

T. Albrecht, T. Weier, G. Gerbeth, D. R. Williams: Separated flow response to single pulse actuation, AIAA Journal 53(1) (2015), 190-199. 10.2514/1.J053026

T. Weier, S. Landgraf, C. Cierpka: Über die Lorentzkraft-getriebene dreidimensionale Strömung um eine magnetische Kugel in einem elektrischen Feld, In: Czarske, J., Büttner, L., Fischer, A., Ruck, B., Leder, A., Dopheide, D. (Hrsg.) Proceedings der 23. GALA-Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik", 978-3-9816764-1-9, 18-1-18-8 18

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T. Albrecht, V. Del Campo, T. Weier, H. Metzkes, J. Stiller: Deriving forces from 2D velocity field measurements, European Physical Journal - Special Topics 220 (2013), 91-100. 10.1140/epjst/e2013-01799-9 

J. König, M. Neumann, S. Mühlenhoff, K. Tschulik, T. Albrecht, K. Eckert, M. Uhlemann, T. Weier, L. Büttner, J. Czarske: Optical velocity measurements of electrolytic boundary layer flows influenced by magnetic fields, European Physical Journal - Special Topics 220 (2013), 79-89. 10.1140/epjst/e2013-01798-x

T. Albrecht, T. Weier, G. Gerbeth, H. Metzkes, J. Stiller: A method to estimate the planar, instantaneous body force distribution from velocity field measurements, Physics of Fluids 23(2) (2011), 021702. 10.1063/1.3552110

T. Weier, T. Albrecht, G. Gerbeth, H. Metzkes, J. Stiller: The electromagnetically forced flow over a backward-facing step, 7^th International Symposium On Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP-7), 28.-31.07.2011, Ottawa, Canada. P31P

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