Grenzflächeninstabilitäten
Langwellige Grenzflächen- oder Oberflächeninstabilitäten sind seit langer Zeit aus der Aluminium-Elektrolyse bekannt. Dort limitieren sie die minimal mögliche Dicke der Elektrolytschicht bzw. den maximalen Elektrolysestrom. Die Instabilität (Abb. 1) wird durch die Wechselwirkung vertikaler Magnetfelder mit horizontalen Strömen verursacht. Letztere entstehen unweigerlich, sobald die Grenzfläche Elektrolyt-Metall deformiert wird (Abb. 2). Vertikale Magnetfelder entstehen durch die Zuleitungen der Batterie bzw. der Aluminium-Reduktionszellen, bzw. sind bereits durch das Erdmagnetfeld vorhanden.
Fig. 1: Grenzflächeninstabilität in einer Flüssigmetallbatterie. | FIg. 2: Ausgleichsstrom in einer Batterie in Folge der deformierten Phasengrenzen. |
Grenzflächeninstabilitäten können potentiell zum Kurzschluss einer Flüssigmetallbatterie führen. Sie müssen daher dringend vermieden werden. Besonders flache Zellen, große Zellströme und vertikale Hintergrundmagnetfelder fördern das Auftreten der Instabilität. Die Dichtedifferenz zwischen Metall und Elektrolyt sollte möglichst groß sein, um Deformationen der Grenzschicht zu vermeiden. Am HZDR erforschen wir unter Nutzung von Experimenten, numerischen Simulationen mit OpenFOAM und Potentialtheorie das Auftreten und die Folgen von Grenzflächeninstabilitäten in Zusammenhang mit Flüssigmetallbatterien. Darüber hinaus untersuchen wir die Kopplung der beiden Grenzflächen in einer Flüssigmetallbatterie. Abhängig vom Dichteverhältnis bzw. den Oberflächenspannungen können sehr verschieden Wellenbewegungen auftreten (Abb. 3).
Fig. 3: Verschiedene Instabilitäten der zwei Grenzflächen einer Flüssigmetallbatterie. |
Publikationen
- Horstmann, G. M.; Anders, S.; Kelley, D.; Weier, T.
Formation of spiral waves in cylindrical containers under orbital excitation
Journal of Fluid Mechanics 925(2021) A28 - Nore, C.; Cappanera, L.; Guermond, J.-L.; Weier, T.; Herreman, W..
Feasibility of metal pad roll instability experiments at room temperature
Physical Review Letters 126(2021) 184501 - Weier, T.; Grants, I.; Horstmann, G. M.; Landgraf, S.; Nimtz, M.; Personnettaz, P.; Stefani, F.; Weber, N.
Conductivity influence on interfacial waves in liquid metal batteries and related two-layer systems
Magnetohydrodynamics 56(2020) 237-246 - Horstmann, G.M.; Herreman, W.; Weier, T.
Linear damped interfacial wave theory for an orbitally shaken upright circular cylinder
Journal of Fluid Mechanics 891(2020) A22 - Horstmann, G.M.; Wylega, M.; Weier, T.
Measurement of interfacial wave dynamics in orbitally shaken cylindrical containers using ultrasound pulse‐echo techniques
Experiments in Fluids 60(2019) 56 - Herreman, W.; Nore, C.; Guermond, J.-L.; Cappanera, L.; Weber, N.; Horstmann, G.M.
Perturbation theory for metal pad roll instability in cylindrical reduction cells
Journal of Fluid Mechanics 878(2019) 598-646 - Horstmann, G.M.; Weber, N.; Weier, T.
Coupling and stability of interfacial waves in liquid metal batteries
Journal of Fluid Mechanics 845(2018) 1-35 - Kelley, D.; Weier, T.
Fluid mechanics of liquid metal batteries
Applied Mechanics Reviews 70(2018) 020801 - Weier, T.; Bund, A.; El-Mofid, W.; Horstmann, G.M.; Lalau, C.-C.; Landgraf, S.; Nimtz, M.; Starace, M.; Stefani, F.; Weber, N.
Liquid metal batteries - materials selection and fluid dynamics
IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 228(2017), 012013 - Weber, N.; Beckstein, P.; Herreman, W.; Horstmann, G.M.; Nore, C.; Stefani, F.; Weier, T.
Sloshing instability and electrolyte layer rupture in liquid metal batteries
Physics of Fluids 29(2017), 044101 - Weber, N.; Beckstein, P.; Galindo, V.; Herreman, W.; Nore, C.; Stefani, F.; Weier, T.
Metal pad roll instability in liquid metal batteries
Magnetohydrodynamics 53(2017), 129-140