液态金属实验不仅可以带来对地球物理和天体物理流动现象的令人兴奋的见解，例如太阳边缘的大气扰动或地球外核的流动，而且还可以促进工业应用，例如液体的铸造钢。

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。亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫中心 (HZDR) 的团队现在首次使用自行开发的方法获得了温度驱动的液态金属湍流流的详细三维图像。在《流体力学杂志》上，他们报告了他们在此过程中必须克服的挑战。

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

“如果流体中的温差超过一定限度，热传输就会急剧增加，”团队负责人 Thomas Wondrak 博士说。发生这种情况是因为形成了所谓的对流，可以有效地传输热量。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沉。

“最初，形成了规则的循环，但在较高的温差下，流动变得越来越湍流。在所有三个维度上正确地可视化这个过程是一个挑战，”Wondrak 简要描述了实验的初始情况。

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。它们利用运动感应原理：如果施加静磁场，则由于液体的运动而在流体中产生电流。这些涡流会导致原始磁场发生变化，可以在容器外部进行测量。

这样，流动结构就反映在磁场分布中，并且可以使用合适的数学方法从测量数据中提取。Wondrak 的团队现已使用这种测量技术揭示了镓-铟-锡合金中温度驱动的流动，该合金的熔化温度约为 10 摄氏度。

该实验的核心部件是一个高64厘米的圆柱体，里面装有约50升(约350公斤)液态金属，圆柱体上装有精密排列的68个记录温度分布的传感器和42个高灵敏度磁场传感器。

低干扰夜间实验

除了从磁数据重建速度场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。当激励场为 1,000 微特斯拉时，待测量的流感应磁场约为 0.1 微特斯拉。

为了进行比较，地球磁场(也被记录下来并从测量值中减去)强度约为 50 微特斯拉。“最小的电磁干扰，例如电气设备打开时发生的电磁干扰，都会对测量信号产生干扰，必须将其滤除。为了将干扰的影响降到最低，我们只在夜间进行实验， ”Wondrak 解释测量结果时说道。

每一次夜间测量都提供了大量的实验流动数据，使研究人员对复杂、不断变化的流动结构有了全新的认识。实验获得的数据是独一无二的，因为即使在当今的高性能计算时代，在合理的时间内对相同的流动参数进行可比较的持续时间的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，科学家们能够识别容器中一个或多个相互重叠的旋转涡流的重复模式。这至少给湍流的混乱带来了一点秩序，除其他外，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学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。额外激励磁场的添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，这种方法很快就会为液态金属湍流提供更深入的见解。

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