Die Beeinflussung der thermomagnetischen Konvektion in Ferrofluidschichten durch den magnetischen Soret-Effekt
Final Report Abstract
Mit den Arbeiten im Rahmen des geförderten Projekts wird der Zusammenhang zwischen dem Einsetzen von thermomagnetischer Konvektion und der vom Magnetfeld abhängigen Thermodiffusion in Ferrofluidschichten untersucht. Aus einer früheren Arbeit ist bekannt, dass magnetfeldunterstützte Konvektion in Abhängigkeit vom verwendeten magnetischen Fluid unterdrückt werden kann. Als mögliche Ursache dafür wird die Thermodiffusion als thermisch und vom Magnetfeld getriebener Prozess genannt, dessen Transportrichtung magnetfeldsensitiv und der vermutlich fluidabhängig ist. Die Arbeit in diesem Projekt stützt sich auf die eingehende Untersuchung der Thermodiffusion im Magnetfeld, sowohl theoretisch als auch experimentell. Beschrieben wird die Thermodiffusion theoretisch über das Konzentrationsprofil in Abhängigkeit von Zeit und Ort in einer Fluidschicht. Die Experimente detektieren die Separation des Fluids über die Konzentrationsdifferenz zwischen zwei Fluidkammern. Zur Bestimmung des Soret-Koeffizienten als Maß der Thermodiffusion sind in jedem Fall experimentelle Daten nötig. Über einen Datenfit zwischen diesen experimentellen Daten und den theoretischen Betrachtungen kann der Koeffizient ermittelt werden. Für das kerosinbasierte Ferrofluid EMG905 wurden zwei Effekte festgestellt. Bei kleinen Magnetfeldstärken wandern die Partikel zum kalten Rand der Schicht, bei steigenden Feldstärken kehrt sich die Bewegung zum warmen Rand um. Eine Anisotropie der Intensität der Diffusion besteht zwischen dem parallel und senkrecht zum Temperaturgradienten ausgerichteten Feld. Bei jeweils einer Feldstärke von 320 kA/m ist im ersten Fall die Diffusion um eine Größenordnung geringer als im zweiten Fall. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Thermodiffusion gehen dann in eine lineare Stabilitätsanalyse einer Ferrofluidschicht bei anliegendem Temperaturgradienten und Magnetfeld ein. In Anlehnung an analytische wie auch numerische Arbeiten wird dabei festgestellt, dass die kritische Rayleigh-Zahl als charakteristische Größe zum Einsetzen von Konvektion von dem Soret-Koeffizienten abhängt. Ist letzterer positiv, wird das Einsetzen von Konvektion begünstigt, ist er wiederum negativ, so kann Konvektion vollständig unterdrückt werden. Die Frage nach der Fluidabhängigkeit der thermischen Diffusion wie auch der thermomagnetischen Konvektion führt auf theoretische und experimentelle Untersuchungen, die sich separat voneinander mit der Konzentrationsabhängigkeit des Soret-Effekts und der Fluidabhängigkeit der kritischen magnetischen Rayleigh-Zahl befassen. Der Soret-Effekt ist demnach, bei sonst gleicher Fluidzusammensetzung in niedrigkonzentrierten Systemen am größten. Allerdings zeigen die Untersuchungen, dass die wesentliche Abhängigkeit hier durch den Diffusionskoeffizienten beeinflusst wird. Dieser sollte in den magnetischen Flüssigkeiten in weiteren Untersuchungen eingehend betrachtet werden. Vorarbeiten dazu sind im Zuge dieses Projekt bereits vorgenommen. So wurde prinzipiell nachgewiesen, dass die Thermodiffusionsmesszelle auch konzentrationsgetriebene Diffusion messen kann. Diesen Prozess gilt es zu optimieren. In sehr ausführlichen experimentellen Untersuchungen wurden unterschiedliche Fluidzusammensetzungen von Ferrofluiden auf ihre kritische magnetische Rayleigh-Zahl hin untersucht. Während sich Fluide ähnlicher Partikelsysteme und sehr unterschiedlicher Viskosität sehr ähnlich verhalten, führte ein System mit deutlich schmalerer Partikelgrößenverteilung und im Mittel deutlich kleineren Partikeln zu einer geringeren magnetischen Rayleigh-Zahl. In diesem Zusammenhang sind unbedingt weitere Experimente für einen schlüssigen mikrostrukturellen Erklärungsansatz notwendig.
Publications
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„Beeinflussung der thermomagnetischen Konvektion in Ferrofluidschichten durch den magnetischen Soret-Effekt”, Dissertationsschrift (2013)
Sprenger, L
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„Influence of thermodiffusive particle transport in thermomagnetic convection in magnetic fluids“, Magnetohydrodynamics 49 (2013), 473-478
P13-2] Sprenger, L.; Lange, A.; Odenbach, S.
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„Thermodiffusion in concentrated ferrofluids – A review and current experimental and numerical results on non-magnetic thermodiffusion“, Phys. Fluids 25 (2013), 122002
Sprenger, L.; Lange, A.; Odenbach, S.
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„Thermodiffusion in ferrofluids regarding thermomagnetic convection“, C. R. Mecanique 341 (2013), 429-437
Sprenger, L; Lange, A.; Odenbach, S.
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„Thermodiffusion in concentrated ferrofluids – Experimental and numerical results on magnetic thermodiffusion“, Phys. Fluids 26 (2014), 022001
Sprenger, L.; Lange, A.; Odenbach, S.
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„Experimental determination of the critical Rayleigh number for thermomagnetic convection with focus on the fluid composition“, J. Magn. Magn. Mat. 381 (2015), pp. 337-343
Heckert, M.; Sprenger, L.; Lange, A.; Odenbach, S.
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„Experimental, numerical, and theoretical investigations on the concentration-dependent Soret effect in magnetic fluids”, Phys. Fluids 27 (2015), 022001
Sprenger, L.; Lange, A.; Zubarev, A. Y.; Odenbach, S.
