Uma visão 3D do caos:pesquisadores visualizam pela primeira vez turbulência causada pela temperatura em metal líquido
A seção através do cilindro experimental com sondas de campo magnético fornece uma visão da representação 3D de um fluxo turbulento impulsionado pela temperatura em um metal líquido. Crédito:B. Schröder/HZDR Experimentos com metais líquidos poderiam não apenas levar a insights interessantes sobre fenômenos de fluxo geofísicos e astrofísicos, como perturbações atmosféricas na borda do Sol ou o fluxo no núcleo externo da Terra, mas também promover aplicações industriais, por exemplo, a fundição de líquidos aço.
No entanto, como os metais líquidos não são transparentes, ainda faltam técnicas de medição adequadas para visualizar o fluxo em todo o volume. Uma equipe do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) obteve agora, pela primeira vez, uma imagem tridimensional detalhada de um fluxo turbulento de metal líquido impulsionado pela temperatura usando um método autodesenvolvido. No Journal of Fluid Mechanics , eles relatam os desafios que tiveram que superar no caminho.
Desde que os investigadores investigaram as propriedades dos fluxos turbulentos em fluidos, utilizaram uma experiência que inicialmente parece bastante simples:o fluido é colocado num recipiente/recipiente cuja placa de base é aquecida e cuja tampa é arrefecida ao mesmo tempo. Uma equipe do Instituto de Dinâmica de Fluidos da HZDR está investigando os detalhes desse processo.
“Se a diferença de temperatura no fluido exceder um certo limite, o transporte de calor aumenta drasticamente”, diz o líder da equipe, Dr. Thomas Wondrak. Isso acontece porque se forma um chamado fluxo convectivo, que transporta efetivamente o calor. O líquido na parte inferior se expande, torna-se mais leve e sobe, enquanto as camadas mais frias na parte superior afundam devido à sua maior densidade.
“Inicialmente, forma-se uma circulação regular, mas em diferenças de temperatura maiores, o fluxo torna-se cada vez mais turbulento. Visualizar corretamente esse processo nas três dimensões é um desafio”, diz Wondrak, descrevendo brevemente a situação inicial do experimento.
Aqui entra em ação a tomografia de fluxo indutivo sem contato (CIFT), técnica de medição desenvolvida no HZDR:com sua ajuda, os pesquisadores conseguem visualizar um fluxo tridimensional em líquidos eletricamente condutivos. Eles usam o princípio da indução de movimento:se um campo magnético estático for aplicado, uma corrente elétrica é gerada no fluido devido ao movimento do líquido. Essas correntes parasitas causam uma mudança no campo magnético original, que pode ser medido fora da embarcação.
Desta forma, a estrutura do fluxo é refletida na distribuição do campo magnético e pode ser extraída dos dados de medição utilizando um método matemático adequado. A equipe de Wondrak usou agora esta técnica de medição para revelar o fluxo impulsionado pela temperatura em uma liga de gálio-índio-estanho, que derrete a cerca de 10 graus Celsius.
O componente central do experimento é um cilindro de 64 centímetros de altura contendo cerca de 50 litros (aproximadamente 350 quilos) de metal líquido, equipado com um sofisticado arranjo de 68 sensores para registrar a distribuição de temperatura e 42 sensores de campo magnético altamente sensíveis.
Experimentos noturnos de baixa interferência
Além da matemática sofisticada envolvida na reconstrução do campo de velocidade a partir dos dados magnéticos, o principal desafio é medir os campos magnéticos induzidos por fluxo muito pequenos, já que estes são normalmente cerca de duas a cinco ordens de grandeza menores que o campo magnético aplicado. Com um campo de excitação de 1.000 microteslas, o campo magnético induzido pelo fluxo a ser medido é de aproximadamente 0,1 microtesla.
Para efeito de comparação, o campo magnético da Terra, que também é registrado e subtraído dos valores de medição, tem cerca de 50 microtesla de intensidade. "A menor interferência eletromagnética, que ocorre quando dispositivos elétricos são ligados, por exemplo, pode interferir no sinal de medição e deve ser filtrada. Para manter a influência da interferência ao mínimo, realizamos experimentos apenas à noite, " diz Wondrak, explicando as medidas.
Cada uma dessas medições noturnas fornece uma grande quantidade de dados experimentais de fluxo que dão aos pesquisadores uma visão completamente nova sobre as estruturas de fluxo complicadas e em constante mudança. Os dados obtidos experimentalmente são únicos, uma vez que simulações numéricas para os mesmos parâmetros de fluxo de duração comparável não são viáveis num período de tempo razoável, mesmo na era atual da computação de alto desempenho.
A equipe de Wondrak usa conceitos matemáticos modernos para reconhecer estruturas espaciais em campos de velocidade complexos. Por exemplo, os cientistas conseguiram identificar padrões recorrentes de um ou mais vórtices giratórios situados uns sobre os outros na embarcação. Isto traz pelo menos um pouco de ordem ao caos turbulento e, entre outras coisas, ajuda a compreender melhor a relação entre fluxo e transporte de calor.
Perspectivas:Novos objetivos
Os físicos também podem transferir o conhecimento adquirido no experimento de laboratório para dimensões muito maiores em geofísica e astrofísica, como processos de fluxo no interior de planetas e estrelas, aplicando parâmetros adimensionais que têm suas origens na teoria da similaridade.
Tendo demonstrado o potencial da tomografia de fluxo indutivo sem contato com a publicação atual, os pesquisadores estão agora voltando sua atenção para o desenvolvimento do método de medição. A adição de um campo magnético de excitação adicional e o uso de novos tipos de sensores de campo magnético prometem um aumento na precisão da medição. A equipe de Wondrak está otimista de que este método fornecerá em breve insights ainda mais profundos sobre fluxos turbulentos de metal líquido.
