Experimentelle Untersuchung und numerische Analyse konvektiver Wärme- und Stofftransportprozesse in Salzschmelzen unter Wirkung von Magnetfeldern und Wärmestrahlung

Abstract

In dieser Arbeit werden mit numerischen und experimentellen Methoden thermisch getriebene Konvektionsprozesse in Flüssigsalzen analysiert. Die Besonderheiten der Untersuchungen liegen darin, dass die in der Salzschmelze auftretenden Wärme- und Stofftransportprozesse zum einen aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Arbeitsmediums von den Wechselwirkungen mit Magnetfeldern sowie zum anderen aufgrund der Semi-Transparenz des Mediums und der vorliegenden hohen Arbeitstemperaturen von thermischen Strahlungsvorgängen beeinflusst werden. Die genaue Kenntnis der Geschwindigkeits- und Temperaturfelder bei Vorliegen dieser zusätzlichen Effekte ist beispielweise von Wichtigkeit für den sicheren und effizienten Betrieb von thermischen Energiespeichern und Flüssigmetall-Batterien, in denen Salzschmelzen als gängige Arbeitsstoffe eingesetzt werden. Bei der numerischen Analyse wird eine zweidimensionale Rayleigh-Bénard-Anordnung betrachtet, bei welcher der thermische Antrieb der Konvektion in der Salzschmelze durch Heizung von unten und Kühlung von oben erfolgt. Der Magnetfeldeinfluss wird in der quasi-statischen Näherung und der Strahlungseinfluss mittels der Rosseland-Approximation für optisch dicke Medien in Grenzschicht-Näherung modelliert. Die mittels eines Spektrale-Elemente-Verfahrens erzielten Simulationsergebnisse zeigen, dass es unter der Wirkung der zusätzlichen Effekte tendenziell zu einer deutlichen Verringerung des konvektiven Wärmetransport kommt. Dies ist die Folge der strömungsdämpfenden Wirkung der unter Magnetfeldeinfluss induzierten Lorentz-Kräfte und der zusätzlichen thermischen Diffusion durch den Strahlungseinfluss. Im experimentellen Teil der Arbeit wird berichtet, wie ein entsprechender Versuchsstand aufgebaut und instrumentiert wird, um die von der numerischen Analyse vorhergesagten Wirkungen in Modellexperimenten zu verifizieren. Des Weiteren werden Ergebnisse von ersten Testmessungen in Salzschmelzen vorgestellt, durch die erstmalig der Nachweis geführt wird, dass die optischen Verfahren der Particle-Image-Velocimetry und der Laser-Doppler-Anemometrie auch zur räumlich und zeitlich hochaufgelösten Geschwindigkeitsmessung in Salzschmelzen angewandt werden können.