激光网3月12日消息，液态金属的实验不仅可以带来对地球物理和天体物理流动现象的令人兴奋的见解，例如太阳边缘的大气扰动或地球外核的流动，还可以促进工业应用，例如液态钢的铸造。
然而，由于液态金属是不透明的，因此仍然缺乏合适的测量技术来可视化整个体积中的流动。德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心的一个团队现在首次使用自主开发的方法获得了湍流温度驱动的液态金属流动的详细三维图像。在《流体力学杂志》上，他们报告了他们在旅途中必须克服的挑战。
自从研究人员一直在研究流体中湍流的性质以来，他们使用了一个最初看起来很简单的实验：将流体填充到一个容器/容器中，该容器/容器的底板被加热，其盖子同时被冷却。HZDR流体动力学研究所的一个团队正在研究这一过程的细节。
“如果流体中的温差超过一定限度，则热传输会急剧增加，”团队负责人Thomas Wondrak博士说。发生这种情况是因为形成了所谓的对流，有效地传输了热量。底部的液体膨胀，变轻并向上上升，而顶部较冷的层由于密度较高而向下下沉。
“最初，形成规则的循环，但在更高的温差动变得越来越湍流。在所有三个维度上正确地可视化这个过程是一个挑战，“Wondrak说，简要描述了实验的初始情况。
在这里，HZDR开发的一种测量技术非接触式感应式流动断层扫描发挥作用：在它的帮助下，研究人员能够可视化导电液体中的三维流动。它们使用运动感应原理：如果施加静态磁场，则由于液体的运动，流体中会产生电流。这些涡流会导致原始磁场发生变化，可以在容器外部测量。
这样，流动结构就反映在磁场分布中，可以使用合适的数学方法从测量数据中提取出来。Wondrak的团队现在已经使用这种测量技术来揭示镓 - 铟 - 锡合金中的温度驱动流动，该合金在10摄氏度左右熔化。
实验的核心部件是一个 64 厘米高的圆柱体，其中包含约 50 升液态金属，该圆柱体配备了 68 个用于记录温度分布的传感器和 42 个高灵敏度磁场传感器的复杂布置。
除了从磁数据中重建速度场所涉及的复杂数学之外，主要的挑战是测量非常小的流动感应磁场，因为这些磁场通常比施加的磁场小两到五个数量级。当激发磁场为 1000 微特斯拉时，要测量的流动感应磁场约为 0.1 微特斯拉。
相比之下，地球磁场也被记录并从测量值中减去，大约是 50 微特斯拉。“例如，当电气设备打开时，最小的电磁干扰会干扰测量信号，必须过滤掉。为了将干扰的影响降到最低，我们只在夜间进行实验，“Wondrak在解释测量结果时说。
这些夜间测量中的每一个都提供了大量的实验流量数据，使研究人员对复杂、不断变化的流量结构有了全新的了解。通过实验获得的数据是独一无二的，因为即使在当今的高性能计算时代，对持续时间相当的相同流动参数进行数值模拟也是不可行的。
Wondrak的团队使用现代数学概念来识别复杂速度场中的空间结构。例如，科学家们能够识别出一个或多个旋转漩涡在容器中彼此重叠的重复模式。这至少为湍流混沌带来了一点秩序，除其他外，有助于更好地理解流动和热传递之间的关系。
