Hiệp hội các trung tâm nghiên cứu Đức Helmholtz

Phần xuyên qua hình trụ thí nghiệm với các đầu dò từ trường cung cấp cái nhìn về biểu diễn 3D của dòng chảy hỗn loạn do nhiệt độ điều khiển trong kim loại lỏng

   Các thí nghiệm với kim loại lỏng không chỉ có thể mang đến những hiểu biết thú vị về các hiện tượng dòng chảy địa vật lý và thiên văn, chẳng hạn như sự xáo trộn khí quyển ở vành mặt trời hoặc dòng chảy trong lõi ngoài Trái đất, mà còn thúc đẩy các ứng dụng công nghiệp, ví dụ như đúc chất lỏng. Thép.

   Tuy nhiên, vì kim loại lỏng không trong suốt nên vẫn còn thiếu các kỹ thuật đo phù hợp để trực quan hóa dòng chảy trong toàn bộ thể tích. Một nhóm của Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) lần đầu tiên đã thu được hình ảnh ba chiều chi tiết về dòng kim loại lỏng điều khiển nhiệt độ hỗn loạn bằng phương pháp tự phát triển. Trong Tạp chí Cơ học Chất lỏng , họ báo cáo về những thách thức mà họ phải vượt qua trên đường đi.

   Kể từ khi các nhà nghiên cứu nghiên cứu tính chất của dòng chảy rối trong chất lỏng, họ đã sử dụng một thí nghiệm ban đầu có vẻ khá đơn giản: chất lỏng được đổ vào một bình/bình chứa có tấm đế được làm nóng và nắp của nó được làm lạnh cùng một lúc. Một nhóm của Viện Động lực học Chất lỏng tại HZDR đang nghiên cứu từng chi tiết của quá trình này.

   Tiến sĩ Thomas Wondrak, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Nếu chênh lệch nhiệt độ trong chất lỏng vượt quá một giới hạn nhất định, thì sự truyền nhiệt sẽ tăng lên đáng kể”. Điều này xảy ra bởi vì cái gọi là dòng chảy đối lưu hình thành, giúp truyền nhiệt một cách hiệu quả. Chất lỏng ở phía dưới nở ra, trở nên nhẹ hơn và dâng lên trên, trong khi các lớp lạnh hơn ở phía trên chìm xuống do mật độ cao hơn.

   “Ban đầu, một vòng tuần hoàn đều hình thành, nhưng ở những chênh lệch nhiệt độ cao hơn, dòng chảy ngày càng trở nên hỗn loạn. Việc hình dung quá trình này một cách chính xác trong cả ba chiều là một thách thức”, Wondrak nói, mô tả ngắn gọn tình huống ban đầu của thí nghiệm.

   Ở đây, phương pháp chụp cắt lớp dòng chảy cảm ứng không tiếp xúc (CIFT), một kỹ thuật đo lường được phát triển tại HZDR, phát huy tác dụng: với sự trợ giúp của nó, các nhà nghiên cứu có thể hình dung ra dòng chảy ba chiều trong chất lỏng dẫn điện. Họ sử dụng nguyên lý cảm ứng chuyển động: nếu đặt một từ trường tĩnh vào, một dòng điện sẽ được tạo ra trong chất lỏng do chuyển động của chất lỏng. Những dòng điện xoáy này gây ra sự thay đổi trong từ trường ban đầu, có thể đo được bên ngoài tàu.

   Bằng cách này, cấu trúc dòng chảy được phản ánh trong phân bố từ trường và có thể được trích xuất từ dữ liệu đo bằng phương pháp toán học phù hợp. Nhóm của Wondrak hiện đã sử dụng kỹ thuật đo lường này để khám phá dòng chảy được điều khiển bởi nhiệt độ trong hợp kim gali-indium-thiếc, nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 10 độ C.

   Thành phần trung tâm của thí nghiệm là một hình trụ cao 64 cm chứa khoảng 50 lít (khoảng 350 kg) kim loại lỏng, được trang bị một sự sắp xếp phức tạp gồm 68 cảm biến để ghi lại sự phân bố nhiệt độ và 42 cảm biến từ trường có độ nhạy cao.

Thí nghiệm ban đêm ít nhiễu

   Ngoài toán học phức tạp liên quan đến việc tái tạo trường vận tốc từ dữ liệu từ tính, thách thức chính là đo các từ trường do dòng chảy rất nhỏ gây ra, vì chúng thường nhỏ hơn khoảng hai đến năm bậc độ lớn so với từ trường ứng dụng. Với trường kích thích 1.000 microtesla, từ trường cảm ứng dòng chảy cần đo là khoảng 0,1 microtesla.

   Để so sánh, từ trường của Trái đất, cũng được ghi lại và trừ đi khỏi các giá trị đo, mạnh khoảng 50 microtesla. "Ví dụ, nhiễu điện từ nhỏ nhất xảy ra khi bật các thiết bị điện có thể gây nhiễu tín hiệu đo và phải được lọc ra. Để giữ ảnh hưởng của nhiễu ở mức tối thiểu, chúng tôi chỉ thực hiện các thí nghiệm vào ban đêm, " Wondrak nói, giải thích các phép đo.

   Mỗi phép đo vào ban đêm này cung cấp một lượng lớn dữ liệu dòng chảy thử nghiệm giúp các nhà nghiên cứu có cái nhìn sâu sắc hoàn toàn mới về cấu trúc dòng chảy phức tạp, thay đổi liên tục. Dữ liệu thu được bằng thực nghiệm là duy nhất, vì các mô phỏng số cho cùng tham số dòng chảy có thời lượng tương đương là không khả thi trong một khoảng thời gian hợp lý, ngay cả trong thời đại điện toán hiệu năng cao ngày nay.

   Nhóm của Wondrak sử dụng các khái niệm toán học hiện đại để nhận biết cấu trúc không gian trong các trường vận tốc phức tạp. Ví dụ, các nhà khoa học có thể xác định mô hình định kỳ của một hoặc nhiều xoáy quay nằm chồng lên nhau trong tàu. Điều này mang lại ít nhất một chút trật tự cho sự hỗn loạn hỗn loạn và, cùng với những thứ khác, giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa dòng chảy và sự truyền nhiệt.

Triển vọng: Mục tiêu mới

   Các nhà vật lý cũng có thể chuyển kiến thức thu được trong thí nghiệm trong phòng thí nghiệm sang các chiều lớn hơn nhiều trong địa vật lý và vật lý thiên văn, chẳng hạn như các quá trình dòng chảy bên trong các hành tinh và các ngôi sao, bằng cách áp dụng các tham số không thứ nguyên có nguồn gốc từ lý thuyết tương tự.

   Sau khi chứng minh tiềm năng của phương pháp chụp cắt lớp dòng chảy cảm ứng không tiếp xúc với ấn phẩm hiện tại, các nhà nghiên cứu hiện đang chuyển sự chú ý sang phát triển hơn nữa phương pháp đo. Việc bổ sung thêm từ trường kích thích và sử dụng các loại cảm biến từ trường mới hứa hẹn sẽ tăng độ chính xác của phép đo. Nhóm của Wondrak lạc quan rằng phương pháp này sẽ sớm cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn nữa về dòng kim loại lỏng hỗn loạn.