Numerische und experimentelle Untersuchungen zur thermoelektrohydrodynamischen Konvektion in einem Zylinderspalt mit unterschiedlicher Orientierung und mit rotierendem Innenzylinder

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Egbers; Professor Dr. Vincent Heuveline
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280725884

Wirkt ein inhomogenes elektrisches Feld auf ein temperaturgeschichtetes dielektrisches Fluid, dann resultiert daraus eine dielektrophoretische (DEP) Kraft. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Permittivität des Fluids kann die DEP Kraft dann in Analogie zum archimedischen Prinzip als thermische „Auftriebskraft“ verstanden werden, induziert durch eine elektrische „künstliche“ Schwerkraft. In einem Zylinderspalt, dessen innerer Zylinder beheizt und verbunden mit einem Wechselspannungspotential ist und dessen äußerer Zylinder gekühlt und geerdet ist, wird das dielektrische Fluid durch das zentripetale elektrische Kraftfeld beeinflusst und es kann eine thermoelektrische Instabilität entstehen. Diese thermoelektrohydrodynamische (TEHD) Instabilität erhöht den Wärmetransport durch die zylindrischen Oberflächen und verbessert somit technische Anwendungen wie Wärmetauscher. Es wurde bereits eine Vielzahl von theoretischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen der DEP-Kraft in Zylinderspaltgeometrie auch unter Schwerelosigkeit durchgeführt. Im noch laufenden TEHD-Projekt wurden umfassende numerische und experimentelle Untersuchungen der kombinierten Wirkung der elektrischen Schwerkraft und der Erdschwerkraft in einem vertikalen Zylinderspalt durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass die thermoelektrische Instabilität die Form von axial ausgerichteten, stationären, säulenartigen, gegenläufigen Wirbelpaaren hat. Diese Wirbel bestehen aus „Jets“, welche azimutal abwechselnd, radial nach innen und außen gerichtet sind, kaltes und warmes Fluid transportieren und maßgeblich die Wärmeübertragung erhöhen. Im Rahmen eines optimierten Systems zur Erhöhung des Wärme- und Stofftransports sollen nun zwei neue Zylinderspalt-konfigurationen mit Einfluss der DEP-Kraft und einem radialen Temperaturgradienten experimentell und numerisch untersucht werden, (i) eine horizontal liegende Konfiguration und (ii) eine vertikale Experimentkonfiguration mit einem rotierenden Innenzylinder. Diese zwei neuen Experimentkonfigurationen werden den Kenntnisstand zur optimalen Beeinflussung der Strömung und des Wärmetransports mit Hilfe der dielektrophoretischen Kraft erweitern. Zusätzlich wird für beide Konfigurationen das Kontrollproblem zur Optimierung des Wärmetransfers mit numerischen Methoden gelöst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen