Dielectrophoretic flow control of thermal convection in cylindrical geometries

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Untersuchungen zur thermischen Konvektion in Zylinderspaltgeometrien erfassen eine Vielzahl von physikalischen und ingenieurtechnischen Problemstellungen. Der Fokus dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung thermischer Konvektion im Zylinderspalt unter dem Einfluss eines elektrischen Hochspannungsfeldes. Ziel ist es, Möglichkeiten aufzuweisen, dass dadurch der Wärmetransport verbessert werden kann. Dieser Effekt kann beispielsweise für energie-effizientere Wärmetauscher genutzt werden. Dazu wurden zwei Experimentzellen aufgebaut, die einen beheizten Innenzylinder und einen gekühlten Außenzylinder haben. Die Temperaturdifferenz erzeugt eine thermische Konvektion im Untersuchungsraum zwischen den beiden vertikal ausgerichteten Zylindern. Der Untersuchungsraum ist mit einer dielektrischen Flüssigkeit befüllt. Zur Erzeugung des Hochspannungsfeldes ist der Außenzylinder an eine Wechselspannung angeschlossen, und der Innenzylinder ist geerdet. Die beiden Experimentzellen unterscheiden sich in ihrem Radienverhältnis. Die Spaltweite und die Höhe des Untersuchungsraumes ist bei beiden Experimentenzellen gleich, ebenso das Aspektverhältnis. Im Rahmen von drei Parabelflugkampagnen wurden verschiedene Weiterentwicklungen realisiert. Diese haben den Einsatz von Partikeln in einem elektrischen Hochspannungsfeld und eine vollständige Automation zu berücksichtigen. Auch eine Messeinrichtung zur Erfassung des Wärmetransportes wurde entwickelt und realisiert. Als maßgebliche Kenngrößen für das Experiment sind das Radienverhältnis und das Aspektverhältnis zur Beschreibung der Geometrie zu nennen. Die Eigenschaften der verwendeten Fluide werden in der Prandtl Zahl zusammengefasst. Der Antrieb für die thermische Strömung wird mit der Rayleigh Zahl beschrieben. Die Auswertung des Wärmetransportes erfolgt über die Nusselt Zahl.

Die wissenschaftlichen Ergebnisse lassen sich in zwei Klassen unterteilen. Die erste Klasse (Laborexperiment) enthält die natürliche Konvektion in einem Zylinderspalt. Des Weiteren enthält sie die Überlagerung der natürlichen Konvektion mit einem künstlichen Kraftfeld. Die Ergebnisse zeigen, dass eine stabile Konvektionszelle durch ein künstliches Kraftfeld gestört werden kann. Diese Störung induziert eine Verbesserung des Wärmetransportes. Die zweite Klasse (Parabelflugexperiment) beschreibt thermische Konvektion in einem ausschließlich radialen Auftriebsfeld unter Ausnutzung des dielektrophoretischen Effekts und ohne den Einfluss der natürlichen Gravitation. In den Beobachtungen wird deutlich, dass der elektrisch getriebene Auftrieb, eine Konvektion unter Mikrogravitationsbedingungen induziert. Die Strömung verbleibt auf Grund der kurzen Mikrogravitationsphase in einem transienten Zustand. Die präsentierten Ergebnisse zeigen, dass die Wirkung des dielektrophoretischen Effektes genutzt werden kann, um den Wärmetransport zu erhöhen.