Experimentelle Untersuchung von kreisförmig angeregten Grenzflächenwellen in Zwei- und Drei-Schicht-Systemen

Grenzflächeninstabilitäten spielen nicht zuletzt aufgrund ihrer hohen praktischen Relevanz eine tragende Rolle im Themenbereich der Magnetohydrodynamik. Es ist seit Jahrzehnten bekannt, dass bei der Herstellung von reinem Aluminium aus Aluminiumoxid im sogenannten Hall-Héroult Verfahren gefährliche Grenzflächenwellen zwischen dem flüssigen Aluminium und dem darüber schwimmenden Kryolithen angeregt werden können. Diese Instabilität ist auf die komplexen Wechselwirkungen zwischen dem starken Elektrolysestrom mit externen magnetischen Feldern zurückzuführen.

Sehr ähnliche Grenzflächeninstabilitäten wurden in den letzten Jahren auch in Flüssigmetallbatterien  ausgemacht, welche im Gegensatz zu den Hall-Héroult-Elektrolysezellen aus drei übereinander geschichteten Fluiden bestehen, die hydrodynamisch miteinander gekoppelt sein können. Während beide Systeme vielfach numerisch und analytisch untersucht wurden, ist die Dynamik der resultierenden Grenzflächenwellen experimentell bisher nur unzureichend validiert worden.

Weil eine elektromagnetische Anregung von Grenzflächenwellen im Labor sehr schwierig ist, haben wir ein Modellexperiment konzipiert, welches eben jene zirkulierenden Wellenmoden mechanisch anregen kann, welche elektromagnetisch in zylindrischen Elektrolysezellen und Flüssigmetallbatterien angetrieben werden.

Das Experiment besteht aus einem modifizierten Orbitalschüttler, der kontrollierbare Kreisbewegungen mit vorgegebenen Durchmessern und Frequenzen ausführen kann. Dabei sind Durchmesser bis zu 70 Millimeter durchführbar.  Auf dem Schütteltisch ist ein Observationszylinder aus Plexiglas montiert, der mit verschiedenen, nicht mischbaren Silikonölen, flüssigen Metallen und Wasserlösungen befüllt wird, um unterschiedliche zwei- oder drei-Schicht Systeme mit ausgeprägten Grenzflächen realisieren zu können.

Um das Aspektverhältnis zu modifizieren, stehen Plexiglaszylinder verschiedener Durchmesser sowie passende Deckel verschiedener Tiefen zur Verfügung. Zur Vermessung der Grenzflächenwellen, welche durch die Orbitalbewegungen des Schüttlers erzwungen werden, kommt die akustische Messtechnik Ultrasound Doppler Velocimetry (UDV) zum Einsatz, um auch optisch unzugängliche Fluide verwenden zu können. Dazu wurden beidseitig in die Deckel jeweils zehn Einbohrungen für UDV-Sensoren eingebracht, um anhand der Schallreflexionen an den Grenzflächen deren Amplituden sowie die jeweils angeregten Wellenmoden rekonstruieren zu können.

Grenzflächenauslenkungen können auch mit Hilfe des Hintergrundschlierenverfahrens (auch als "synthetic schlieren" oder "background-oriented schlieren" - BOS - bekannt), womit sich Informationen über die Deformation der gesamten Grenzfläche zu einem Zeitpunkt gewinnen lassen. Diese Technik wurde kürzlich genutzt, um erstmals Spiralwellenstrukturen in einem stark gedämpften System nachzuweisen. Die experimentell gefundenen Strukturen bestätigten die hohe Genauigkeit der theoretische Vorhersage.

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