Thermo-elektrohydrodynamische Konvektion unter Schwerelosigkeit
Unsere Experimente konzentrieren sich auf die Untersuchung der thermischen Konvektion in einem dielektrischen Fluid innerhalb eines begrenzten Hohlraums unter dem Einfluss eines elektrischen Kraftfeldes. Wenn ein dielektrisches Fluid einem elektrischen Feld und einer Temperaturdifferenz ausgesetzt wird, entsteht eine dielektrophoretische (DEP) Kraft, die eine Bewegung des dielektrischen Fluides erzeugen kann. Dieser Effekt kann bei der Entwicklung und Optimierung von Wärmetauschern genutzt werden, insbesondere mit dem Fokus auf die Nutzung unter Mikrogravitation.
Unter Laborbedingungen führt das Anlegen eines elektrischen Feldes zu einer Überlagerung von zwei Kräften, die auf das dielektrische Fluid wirken. Unter Mikrogravitationsbedingungen wird der „archimedische“ Auftrieb jedoch vernachlässigbar. Das durch die hohe elektrische Spannung erzeugte Kraftfeld ist dann der einzige Mechanismus, der für die Entstehung von Strömungen in dem zylindrischen oder ebenen Spalt sorgt. Die sich ergebende Strömung kann durch Steuerung der Parameter angelegter elektrischen Spannung kontrolliert und leicht ein- und ausgeschaltet werden.
Je nach Spaltgeometrie ist die Stärke und Form der DEP-Kraft unterschiedlich. In der Tat ist die DEP-Kraft in einem ebenen Spalt geringer, da das elektrische Feld wesentlich homogener ist. Beide Spaltgeometrien sind jedoch für technische Anwendungen wichtig und werden im Experiment gleichzeitig verwendet, um Erkenntnisse über den optimalen Parameterraum zur Verbesserung des Wärmetransports zu gewinnen.
Die experimentellen Messungen des Geschwindigkeitsfeldes sowie die Temperaturschwankungen des untersuchten Fluides wurden mit den Ergebnissen der numerischen Simulationen verglichen und zeigten eine gute qualitative Übereinstimmung. Selbst in den kurzen µg-Phasen der Parabelflüge war es möglich, das Wachstum der Störungen zu erkennen, die Strömungsgeometrie zu charakterisieren und die Wachstumsraten der Störungen zwischen Schwerkraft und Schwerelosigkeit zu vergleichen.
In der geplanten Parabelflugkampagne werden wir eine experimentelle Anlage mit zwei verschiedenen Spaltgeometrien verwenden: eine horizontale Zylinder- und eine horizontale Plattenspaltzelle. Je nach Zelle werden unterschiedliche Arbeitsfluide verwendet und es wird eine neue Messmethode angewandt: die Shadowgraph- und PIV-Techniken für gleichzeitige Strömungsmessungen kombiniert. Mit Temperatursensoren wird die strömungsbedingte Änderung des Wärmetransports zwischen der heißen und der kalten Wand der Versuchszelle gemessen.
Die in den Experimenten gewonnenen Erkenntnisse sollen zum grundlegenden Verständnis von thermo-elektrodynamischen Strömungsprozessen eines dielektrischen Fluides im elektrischen Wechselspannungsfeld sowie zum besseren Verständnis des Übergangs von stabilen zu instabilen Strömungszuständen in der Strömungsmechanik beitragen. Darüber hinaus trägt die Möglichkeit der Erzeugung einer steuerbaren „elektrischen“ Konvektion im Fluid, insbesondere unter μg-Bedingungen, auch zu technischen Anwendungen unter Erdbedingungen bei.
Ein weiteres Ziel des DEPIK-Projekts ist die Untersuchung der Wärmeübertragung in den Versuchszellen unterschiedlicher Geometrie, Optimierung der Parameter des Experiments und die Validierung der Messmethode und der dielektrischen Flüssigkeiten für ein mögliches zukünftiges Experiment im Rahmen des TEXUS-Flugs im (viertes Quartal) 2024 oder (erstes Quartal) 2025.