Raumfahrtanwendungen

TEKUS

Thermoelektrische Konvektion unter Schwerelosigkeit (DLR FKZ: 50WM1944)

Im Fokus unserer Untersuchungen stehen Experimente zur thermischen Konvektion in einer Zylinderspaltgeometrie unter dem Einfluss eines elektrischen Zentralkraftfeldes (elektrohydrodynamische Konvektion) (DLR FKZ: 50WM1944).

In Laborexperimenten auf der Erde liegt mit der Bedingung von g=9.81m/s2 eine dominierende Kraftwirkung (Auftrieb) vor. Diese bewirkt bei der Betrachtung der thermischen Konvektion in einem mit Fluid gefüllten Zylinderspalt eine ausgeprägte Vorzugsrichtung. Unter Mikrogravitation lässt sich mit Hilfe des dielektrophoretischen Effekts ein Kraftfeld im Zylinderspalt generieren, das nicht von der natürlichen Gravitationskraft überlagert ist. Mikrogravitations-Experimente zur Untersuchung der elektrohydrodynamischen Konvektion im Zylinderspalt wurden bisher im Rahmen von Parabelflug-Kampagnen im Herbst/ Frühjahr 2009 (Testflug), 2010, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017 sowie im Frühjahr 2018 erfolgreich durchgeführt. Im Zentrum der bisherigen Untersuchungen stand der vertikale Zylinderspalt, der mit verschiedenen dielektrischen Flüssigkeiten und Aspektverhältnissen betrachtet wurde. Insgesamt hat sich hierbei gezeigt, dass mit Hilfe des dielektrophoretischen Effektes der Wärmetransport im System durch die Erzeugung von Instabilitäten in Form eines veränderten Strömungsmusters erhöht werden kann. Im Herbst 2018 wurden im Rahmen einer weiteren Parabelflugkampagne (VP#139) gemeinsam mit unseren französischen Partnern von der Universität Le Havre auch erste Untersuchungen mit einer Plattenspaltgeometrie durchgeführt. Neben den Parabelflugexperimenten werden auch Laboruntersuchungen unter Erdbedingungen durchgeführt.

Mit den erfolgreichen Parabelflugexperimenten, die die Forschergruppe des LAS um den Teamleiter Dr.-Ing. Martin Meier innerhalb des Forschungsprojekts »Konvektion im konzentrischen Spalt (KIKS)« durchgeführt hat, wurde der Grundstein für die Bewilligung eines neuen Projektes gelegt. In einem Parabelflug dauert die Mikrogravitation etwa 22 Sekunden an und wird abwechselnd mit Phasen normaler und nahezu doppelter Erdbeschleunigung ungefähr 30 Mal wiederholt. Im Fokus des Projekts "TEKUS" steht die experimentelle Untersuchung von thermoelektrischen Strömungen in einer Zylinderspaltgeometrie in einem Forschungsraketenflug des TEXUS-Programms (Technologische Experimente unter Schwerelosigkeit) des DLR-Raumfahrtmanagements. Hier werden Experimentmodule in einem Raketen-Parabelflug für sechs Minuten in eine Mikrogravitationsphase versetzt, in der nur ein Zehntausendstel der Erdbeschleunigung wirkt. Auf durchschnittlich zwei TEXUS-Flügen pro Jahr untersuchen Wissenschaftler aus Universitäten, Forschungseinrichtungen und der Industrie Phänomene aus der Biologie, Physik und Materialwissenschaft. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und die Europäische Weltraumorganisation stellen diese Flüge für ausgewählte Experimente bereit.

In dem neuen Projekt sind zur Vorbereitung der TEXUS-Mission ebenfalls zwei Parabelflugkampagnen zum Testen der Messtechnik und neuer Komponenten für das TEXUS-Experiment vorgesehen. Das neu aufzubauende Experimentmodul für die TEXUS-Rakete wird in enger Zusammenarbeit mit Airbus DS in Bremen entwickelt werden. Ziel ist ein Flug in der Frühjahrskampagne im Jahr 2021. Während des TEXUS-Fluges können die BTU-Wissenschaftler ihre Strömungsexperimente in annähernder Schwerelosigkeit in einem etwa 14-fach längeren Zeitraum vornehmen, als die Flugzeug-Parabelflüge es ermöglichen und damit eine deutliche Steigerung der Qualität der Versuchsergebnisse erreichen.

mehr

Bibliographie

  1. Travnikov, V. Crumeyrolle, O., Mutabazi, I. (2015). Numerical investigation of the heat transfer in cylindrical annulus with a dielectric fluid under microgravity. Phys. Fluids, vol. 27, pp. 054103.
  2. Dahley, N., Crumeyrolle, O., Futterer, B., Egbers, C., Mutabazi, I. (2011). Parabolic flight experiment "Convection in a Cylinder" - Convection patterns in varying buoyancy forces. J. Phys.: Conf. Ser., vol. 318, p. 082003 (8pp).
  3. Dahley, N., Futterer, B., Egbers, C., (2011). Control of convection by different buoyancy forces. 3rd Micro and Nano Flow Conference, Thessaloniki, Greece, 2011, Brunel, University Press, 2011, Hrsg.: T. Karayiannis, M. Collins, ISBN: 978-1-902316-98-7.
  4. Futterer, B., Dahley, B., Egbers, C. (2013). Thermal electro-hydrodynamic heat transfer augmentation in vertical annuli exerting dielectrophoretic forces through a.c. electric field. Int. J. Heat Mass Transfer.
  5. Egbers, C., Meier, M., Stoebel, R., Schneidereit, T., Borcia, I.D., Mutabazi, I., Meyer, A., Crumeyrolle, O., 2015: Dielectrophoretic flow control of thermal convection in cylindrical gap: A Parabolic Flight Experiment, ELGRA conference Corfu, Greece Sept. 29th - Oct. 1st 2015
  6. Meier, M., Jongmanns, M., Egbers, C.: Investigations on thermal electro-hydrodynamic convection in a cylindrical gap, GALA - Fachtagung Experimentelle Strömungsmechanik, 6.-8.09.2016, Cottbus, ISBN 978-3-9816764-2-6
  7. Meier, M., Jongmanns, M., Seelig, T., Stoebel, R., Ruoff, V., Stapelfeld, L., Egbers, C., Mutabazi, I., Crumeyrolle, O., Meyer, A.: The effect of thermo-electrohydrodynamic (TEHD) forces on thermal convection in a cylindrical gap, Summer School ISTROF 2016, Instabilities and Turbulence in Strato-Rotational Flows, July 11-13th, 2016, Le Havre
  8. Meyer, A., Jongmanns, M., Meier, M., Egbers, C., Mutabazi, I.: Thermal convection in a cylindrical annulus under a combined effect of the radial and vertical gravity, C. R. Mecanique 345 (2017) pp 11–20
  9. Meyer, A., Crumeyrolle, O., Mutabazi, I., Meier, M., Jongmanns, M., Ruoff, V., Seelig, T., Egbers, C.: Flow pattern and heat transfer in a cylindrical annulus under 1g and low-g conditions: Theory and simulation, Joint Conference ISPS-7 and ELGRA-25 October, 2-6 2017, Juan-les-Pins, France
  10. Meier, M., Jongmanns, M., Ruoff, V., Seelig, T., Egbers, C., Meyer, A., Mutabazi, I.: Flow pattern and heat transfer in a cylindrical annulus under 1g and low-g conditions: Experiments, Joint Conference ISPS-7 and ELGRA-25 October, 2-6 2017, Juan-les-Pins, France
  11. Mutabazi, I., Kang, C., Meyer, A., Meier, M., Egbers C.: Thermal convection in dielectric liquids in a cylindrical annulus, 70th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics, Denver, Colorado, November 19–21 (2017)
  12. Jongmanns, M., Meyer, A., Meier, M., Kang, C., Mutabazi, I., Egbers, C.: Experiments on thermoelectric convection in dielectric liquids in a cylindrical annulus under parabolic flight conditions, International Conference on Rayleigh Bénard Turbulence, May 14-18, 2018, Enschede, NL
  13. Mutabazi, I., Kang, C., Meyer, A., Jongmanns, M., Meier, M., Egbers, C.: Thermoelectric convection in dielectric liquids in a cylindrical annulus under parabolic flight conditions, International Conference on Rayleigh Bénard Turbulence, May 14-18, 2018, Enschede, NL
  14. Meyer, A., Jongmanns, M., Meier, M., Seelig, T., Kang, C., Mutabazi, I., Egbers, C.: Experiments on thermoelectric convection induced in a cylindrical annulus under microgravity conditions, 20th International Couette-Taylor Workshop, 11-13 July 2018, Marseille, France
  15. Seelig, T., Jongmanns, M., Meyer, A., Meier, M., Egbers, C.: Onset of dielectrophoretic force-driven convection in annular geometry under Earth's gravity, 20th International Couette-Taylor Workshop, 11-13 July 2018, Marseille, France
  16. Meyer, A., Crumeyrolle, O., Mutabazi, I., Meier, M., Jongmanns, M., Renoult, M.-C., Seelig, T., Egbers, C.: Flow Patterns and Heat Transfer in a Cylindrical Annulus under 1g and low-g Conditions: Theory and Simulation, Microgravity Sci. Technol. 30 (2018) pp 653–662, DOI: 10.1007/s12217-018-9636-3
  17. Meier, M., Jongmanns, M., Meyer, A., Seelig, T., Egbers, C., Mutabazi, I.: Flow pattern and heat transfer in a cylindrical annulus under 1g and low-g conditions:  Experiments, Microgravity Sci. Technol. 30 (2018) pp 699-712, DOI 10.1007/s12217-018-9649-y
  18. Jongmanns, M., Meier, M. Meyer, A., Egbers, C.: Bestimmung von Strömungsmustern in einem Zylinderspalt mit radialem elektrischen Kraftfeld unter Schwerelosigkeit, 26. GALA - Fachtagung Experimentelle Strömungsmechanik, 4. - 6. September 2018, Rostock
  19. Meier, M., Jongmanns, M., Meyer, A., Seelig,  T., Egbers, C., Mutabazi, I.: Enhanced heat transfer in a cylindrical annulus under 1g and low-g conditions, 69th International Astronautical Congress (IAC), Bremen, Germany, 1-5 October 2018.
  20. Meyer, A., Kang C., Jongmanns, M., Yoshikawa, H., Meier, M., Egbers, C., Mutabazi, I., 2017: Convection thermique dans une liquid diéléctrique confine dans un anneau cylindrique chauffe de l’interieur et sous tension éléctrique alternative. XIIIème Colloque Interuniversitaire Franco-Québécois sur la Thermique des Systèmes (CIFQ) 22-24 Mai 2017, Saint-Lô, France
  21. Seelig, T., Meyer, A., Gerstner, P., Meier, M., Jongmanns, M., Baumann, M., Heuveline, V., Egbers, C., 2019: Dielectrophoretic force-driven convection in annular geometry under Earth’s gravity. arXiv e-prints, arXiv:1812.05460, accepted by International Journal of Heat and Mass Transfer (April 2019).