混沌的3D视图：研究人员首次可视化液态金属中温度驱动的湍流

液态金属实验不仅可以深入了解地球物理和天体物理流动现象，如太阳边缘的大气扰动或地球外核的流动，还可以促进工业应用，例如铸造液态钢

然而，由于液态金属是不透明的，因此仍然缺乏合适的测量技术来可视化整个体积中的流动。Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf（HZDR）的一个团队现在首次使用自行开发的方法获得了湍流温度驱动的液态金属流的详细三维图像。在《流体力学杂志》上，他们报道了他们在途中必须克服的挑战

自从研究人员一直在研究流体中湍流的特性以来，他们使用了一个最初看起来很简单的实验：将流体填充到一个容器/容器中，该容器/容器的底板被加热，盖子同时被冷却。HZDR流体动力学研究所的一个团队正在调查这一过程的细节

团队负责人Thomas Wondrak博士说：“如果流体中的温差超过一定限度，热传输就会急剧增加。”。之所以会发生这种情况，是因为形成了一种所谓的对流，它有效地输送热量。底部的液体膨胀、变轻并向上上升，而顶部较冷的层由于密度较高而向下下沉

Wondrak简要描述了实验的初始情况，他说：“最初，形成了一个规则的循环，但在更高的温差下，流动变得越来越湍流。在所有三个维度上正确地想象这个过程是一个挑战。”

在这里，HZDR开发的一种测量技术——非接触式感应流断层扫描（CIFT）发挥了作用：在它的帮助下，研究人员能够可视化导电液体中的三维流动。他们使用运动感应原理：如果施加静态磁场，由于液体的运动，流体中会产生电流。这些涡电流会导致原始磁场发生变化，可以在容器外部进行测量

通过这种方式，流动结构反映在磁场分布中，并且可以使用适当的数学方法从测量数据中提取。Wondrak的团队现在已经使用这项测量技术揭示了镓铟锡合金中温度驱动的流动，该合金在10摄氏度左右熔化

实验的中心部件是一个64厘米高的圆柱体，里面装有大约50升（约350公斤）的液态金属，它配备了68个传感器和42个高灵敏度磁场传感器，用于记录温度分布

低干扰夜间实验

除了从磁数据重建速度场所涉及的复杂数学之外，主要挑战是测量非常小的流感应磁场，因为这些磁场通常比施加的磁场小两到五个数量级左右。在1000微特斯拉的激励场下，待测量的流感应磁场约为0.1微特斯拉

相比之下，地球的磁场（也被记录下来并从测量值中减去）大约有50微特斯拉强。Wondrak在解释测量结果时说：“例如，当电气设备打开时，最小的电磁干扰会干扰测量信号，必须过滤掉。为了将干扰的影响降至最低，我们只在晚上进行实验。”

每一次夜间测量都提供了大量的实验流量数据，使研究人员对复杂、不断变化的流量结构有了全新的了解。实验获得的数据是独特的，因为即使在今天的高性能计算时代，在合理的时间内，对具有可比持续时间的相同流量参数进行数值模拟也是不可行的

Wondrak的团队使用现代数学概念来识别复杂速度场中的空间结构。例如，科学家们能够识别出船只中一个或多个相互叠放的旋转涡流的重复模式。这至少给湍流带来了一点秩序，并有助于更好地理解流动和热传输之间的关系

展望：新目标物理学家还可以通过应用起源于相似理论的无量纲参数，将实验室实验中获得的知识转移到地球物理和天体物理学中更大的维度，例如行星和恒星内部的流动过程

在当前出版物中展示了非接触式感应流断层扫描的潜力后，研究人员现在将注意力转向进一步开发测量方法。额外激励磁场的增加和新型磁场传感器的使用有望提高测量精度。Wondrak的团队乐观地认为，这种方法将很快为湍流液态金属流提供更深入的见解