Tuttavia, poiché i metalli liquidi non sono trasparenti, mancano ancora tecniche di misurazione adeguate per visualizzare il flusso nell'intero volume. Un team dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha ora, per la prima volta, ottenuto un'immagine tridimensionale dettagliata di un flusso turbolento di metallo liquido guidato dalla temperatura utilizzando un metodo sviluppato internamente. Nel Journal of Fluid Mechanics , riferiscono sulle sfide che hanno dovuto superare lungo il percorso.

Da quando i ricercatori hanno studiato le proprietà dei flussi turbolenti nei fluidi, hanno utilizzato un esperimento che inizialmente sembra abbastanza semplice:il fluido viene riempito in un contenitore la cui piastra di base viene riscaldata e il cui coperchio viene raffreddato allo stesso tempo. Un team dell'Istituto di Fluidodinamica dell'HZDR sta studiando i dettagli di questo processo.

"Se la differenza di temperatura nel fluido supera un certo limite, il trasporto di calore aumenta drasticamente", afferma il capo del team Dr. Thomas Wondrak. Ciò accade perché si forma un cosiddetto flusso convettivo, che trasporta efficacemente il calore. Il liquido nella parte inferiore si espande, diventa più leggero e sale verso l'alto, mentre gli strati più freddi nella parte superiore affondano verso il basso a causa della loro maggiore densità.

"Inizialmente si forma una circolazione regolare, ma con differenze di temperatura più elevate il flusso diventa sempre più turbolento. Visualizzare correttamente questo processo in tutte e tre le dimensioni è una sfida", afferma Wondrak, descrivendo brevemente la situazione iniziale dell'esperimento.

Qui entra in gioco la tomografia a flusso induttivo senza contatto (CIFT), una tecnica di misurazione sviluppata presso HZDR:con il suo aiuto, i ricercatori sono in grado di visualizzare un flusso tridimensionale in liquidi elettricamente conduttivi. Utilizzano il principio dell'induzione del movimento:se viene applicato un campo magnetico statico, nel fluido viene generata una corrente elettrica a causa del movimento del liquido. Queste correnti parassite causano un cambiamento nel campo magnetico originale, che può essere misurato all'esterno della nave.

In questo modo la struttura del flusso si riflette nella distribuzione del campo magnetico e può essere estratta dai dati di misurazione utilizzando un metodo matematico adeguato. Il team di Wondrak ha ora utilizzato questa tecnica di misurazione per svelare il flusso guidato dalla temperatura in una lega di gallio-indio-stagno, che fonde a circa 10 gradi Celsius.

Il componente centrale dell'esperimento è un cilindro alto 64 centimetri contenente circa 50 litri (circa 350 chilogrammi) di metallo liquido, dotato di una sofisticata disposizione di 68 sensori per registrare la distribuzione della temperatura e 42 sensori di campo magnetico altamente sensibili.

Esperimenti notturni a bassa interferenza

Oltre alla matematica sofisticata coinvolta nella ricostruzione del campo di velocità dai dati magnetici, la sfida principale è misurare i campi magnetici indotti dal flusso molto piccoli, poiché questi sono tipicamente da due a cinque ordini di grandezza inferiori al campo magnetico applicato. Con un campo di eccitazione di 1.000 microtesla, il campo magnetico indotto dal flusso da misurare è di circa 0,1 microtesla.

Per fare un confronto, il campo magnetico terrestre, anch'esso registrato e sottratto dai valori di misurazione, è di circa 50 microtesla. "I più piccoli disturbi elettromagnetici, che si verificano ad esempio quando gli apparecchi elettrici sono accesi, possono interferire con il segnale di misurazione e devono essere filtrati. Per ridurre al minimo l'effetto dei disturbi, eseguiamo esperimenti solo di notte, " dice Wondrak, spiegando le misurazioni.

Ognuna di queste misurazioni notturne fornisce una grande quantità di dati sperimentali sul flusso che offrono ai ricercatori una visione completamente nuova delle complicate strutture del flusso in costante cambiamento. I dati ottenuti sperimentalmente sono unici, poiché le simulazioni numeriche per gli stessi parametri di flusso di durata paragonabile non sono realizzabili in un periodo di tempo ragionevole, anche nell'era odierna del calcolo ad alte prestazioni.

Il team di Wondrak utilizza concetti matematici moderni per riconoscere strutture spaziali in campi di velocità complessi. Ad esempio, gli scienziati sono stati in grado di identificare schemi ricorrenti di uno o più vortici rotanti che si trovano uno sopra l'altro nella nave. Ciò porta almeno un po' di ordine nel caos turbolento e, tra le altre cose, aiuta a comprendere meglio la relazione tra flusso e trasporto di calore.

Prospettive:nuovi obiettivi

I fisici possono anche trasferire le conoscenze acquisite negli esperimenti di laboratorio a dimensioni molto più grandi in geofisica e astrofisica, come i processi di flusso all'interno di pianeti e stelle, applicando parametri adimensionali che hanno la loro origine nella teoria della similarità.

Dopo aver dimostrato il potenziale della tomografia a flusso induttivo senza contatto con l’attuale pubblicazione, i ricercatori stanno ora rivolgendo la loro attenzione all’ulteriore sviluppo del metodo di misurazione. L'aggiunta di un ulteriore campo magnetico di eccitazione e l'uso di nuovi tipi di sensori di campo magnetico promettono un aumento della precisione di misurazione. Il team di Wondrak è ottimista sul fatto che questo metodo fornirà presto informazioni ancora più approfondite sui flussi turbolenti di metalli liquidi.