Thermoelektrohydrodynamische Konvektionsströmungen unter verminderter Schwerkraft

Der Zylinderspalt entsteht zwischen zwei ineinander gestellten, senkrechten Rohren und ist oben und unten durch Deckel- und Bodenplatte begrenzt. Der Spalt ist mit einem elektrisch nichtleitenden (dielektrischen) Öl gefüllt, dessen Viskosität beispielweise im Bereich von Wasser liegt. Das innere Rohr wird beheizt und das äußere Rohr wird von außen gekühlt, so dass ein Temperaturunterschied aufgeprägt wird. Dies führt aufgrund des Auftriebs auf der Erde zunächst zum Ausbilden einer einzigen Konvektionszelle im Spalt (Grundströmung), die den gesamten Untersuchungsraum erfasst. Wird der Temperaturunterschied erhöht, führt diese Verstärkung des thermischen Antriebs zu Instabilitäten, d.h. die oben beschriebene Grundströmung nimmt neue Strömungsformen an. Im Vergleich zur Grundströmung oder der reinen Wärmeleitung bei ruhender Flüssigkeit ist der Wärmetransport zwischen Innen- und Außenrohr dann wesentlich verstärkt. Wenn auf dieses System nun ein Kraftfeld in Form einer angelegten Wechselspannung wirkt, so führen das inhomogene elektrische Kraftfeld und die Temperaturabhängigkeit der Permittivität der Flüssigkeit zu einer elektrohydrodynamischen Kraftwirkung. Unter Erdbedingungen stört dieses künstliche Kraftfeld lediglich die Stabilität der Auftriebsströmung.

Unter Mikrogravitationsbedingungen, wie sie z.B. im Parabelflug auftreten, wird die „Archimedische“ Auftriebsströmung jedoch vernachlässigbar klein. Das durch die Hochspannung aufgebaute Kraftfeld ist dann allein ausschlaggebend für das Entstehen von Strömungen im Zylinderspalt, die vielfältige Formen bis zu turbulenten Strömungen annehmen können. Diese Strömungsformen können mit der Höhe der elektrischen Spannung kontrolliert und auch einfach an- und ausgeschaltet werden. Mit einer neuartigen Kombination von zwei optischen Messtechniken, der Shadowgraph- und der PIV-Messtechnik wird das Strömungsfeld sichtbar gemacht und charakterisiert und mit weiteren Sensoren die Strömungsinduzierte Veränderung des Wärmetransports zwischen dem Innen- und dem Außenrohr gemessen.

Die Parabelflugexperimente dieser Kampagne dienen der Vorbereitung eines TEXUS-Fluges, der für Oktober/ November 2021 geplant ist. Während des TEXUS57-Fluges können die thermoelektrischen Strömungsexperimente in annähernder Schwerelosigkeit in einem etwa 14-fach längeren Zeitraum stattfinden, als die Flugzeug-Parabelflüge es ermöglichen. Damit wird eine deutliche Steigerung der Qualität der Versuchsergebnisse erreicht.