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Bei einer Reihe bedeutsamer industrieller Prozesse, wie dem Stahl-Strangguss oder der Kristallzucht für die Photovoltaik, ist die Strömung flüssiger Metalle oder Halbleiter entscheidend für den Energieaufwand bei der Herstellung und die Qualität des Endproduktes. Eine gezielte, berührungslose Einwirkung von Lorentzkräften auf die heißen Schmelzen kann dabei die Ressourceneffizienz eines Prozesses signifikant steigern. Die komplexe Interaktion von elektrisch leitfähigen Fluiden und magnetischen Wechselfeldern wird dazu in der Magnetohydrodynamik (MHD) durch Experimente im Labormaßstab an niedrigschmelzenden Metallen untersucht. Die dabei auftretenden instationären, dreidimensionalen Strömungsfelder erfordern eine nicht-invasive, bildgebende Strömungsmesstechnik für opake Fluide mit hoher Orts- und Zeitauflösung, welche derzeitig nicht für die MHD zur Verfügung steht. Im Rahmen dieser Arbeit soll mit den Mitteln der Elektrotechnik eine für MHD-Modellexperimente geeignete Messtechnik basierend auf dem Ultraschall-Doppler-Prinzip geschaffen werden. Dabei wird der Ansatz verfolgt, die Komplexität eines Messsystems vom mechanischen Aufbau hin zur Rechentechnik zu verlagern, um durch die dort in jüngster Zeit verfügbaren Ressourcen neuartige Signalverarbeitungsmethoden und eine höhere Flexibilität zu ermöglichen. Mit dem Ultrasound Array Doppler Velocimeter (UADV) wurde ein flexibles Messsystem für MHD-Modellexperimente geschaffen, welches eine mehrkomponentige Mehrebenenmessung durch Sensordatenfusion von bis zu neun linearen Wandlerarrays im kombinierten Zeit- und Ortsmultiplex erreicht. Die Signalverarbeitung ist durch eine auf einem Field Programmable Gate Array implementierte Datenkompression onlinefähig. Sie reicht trotz geringer rechentechnischer Komplexität bis auf Faktor 3 an die fundamentale Grenze der Messunsicherheit, die Cramér-Rao-Schranke, heran. Das UADV wurde über ein Kalibrierexperiment mit interferometrischer Referenzmessung auf die SI-Einheiten zurückgeführt. Das UADV wurde an einer magnetfeldgetriebenen Strömung in einem kubischen Gefäß angewandt. Numerische Simulationen sagen dort nicht-deterministisch einsetzende Instabilitäten im Übergangsbereich des laminaren zum turbulenten Strömungsregimes vorher. Durch eine simultane Zweiebenenmessung mit hoher örtlicher (3 ... 5 mm) und zeitlicher Auflösung (Bildrate 11,2 Hz) bei gleichzeitig langer Aufnahmedauer (> 1000 s) konnten die Instabilitäten erstmals experimentell charakterisiert werden. Eine Hauptkomponentenanalyse identifizierte ein gekoppeltes Paar von Strömungsmoden, welche eine spontan anfachende harmonische Oszillation mit der Frequenz f = 0,072 Hz beschreiben und durch komplexe Wirbel gekennzeichnet sind. Die Analyse der Messunsicherheit für das gegebene Experiment ergab, dass diese mit σ v,rel = 13,9 % hauptsächlich durch das räumliche Auflösungsvermögen bestimmt wird. Das Schallfeld ist bei ultraschallbasierten Messverfahren ausschlaggebend für die Eigenschaften der Bildgebung. Mit dem Phased Array Doppler Velocimeter (PAUDV) wurde ein modulares Messsystem mit adaptiven Schallfeld aufgebaut, wobei durch digitale Strahlformung die örtliche und zeitliche Auflösung signifikant erhöht werden kann. Eine aktive Kontrolle des Schallfeldes ermöglicht zudem die Messung durch Objekte mit komplexen, unbekannten Ausbreitungseigenschaften. Mit dem Time Reversal Virtual Array (TRVA) wird dabei eine effiziente Methode zur Bildgebung vorgestellt und auf die Strömungsmessung durch einen Multimode-Wellenleiter angewandt. Damit kann die Beschränkung bildgebender Ultraschallmesstechnik hinsichtlich der Betriebstemperatur der Wandler umgangen und heiße Schmelzen industrieller und technischer Prozesse für nichtinvasive In-Prozess-Bildgebung zugänglich gemacht werden. / In many important industrial processes, such as continuous steel casting or crystal growth for photovoltaic silicon, the flow of liquid metals or semiconductors determines the energy consumption of the process and the quality of the product. Influencing the hot melts contactlessly through Lorentz forces for a targeted flow control can significantly improve the resource-efficiency of a process. The complex interaction of electrically conductive fluids and alternating magnetic fields is investigated in the field of magnetohydrodynamics (MHD) through laboratory-scale experiments in low melting metals. The emerging instationary, three-dimensional flows require a temporally and spatially high-resolved non-invasive flow imaging system, which currently is not available for MHD research. In this work, a flow instrumentation for MHD experiments based on the ultrasound Doppler principle is created through means of electrical engineering. The general approach is to shift the complexity of a system from mechanics over electronics to an algorithmic implementation in order to exploit the recent computational advances, enabling novel signal processing methods and increasing the flexibility. The ultrasound array Doppler velocimeter (UADV) has been created as a flexible instrumentation system for MHD experiments. It supports multicomponent, multiplane velocity measurements through sensor fusion of up to nine linear transducer arrays with spatiotemporal multiplexing. An online signal processing is realized through data compression on a field-programmable gate array (FPGA). It achieves an uncertainty as low as a factor 3 of the Cramér-Rao lower bound despite a low computational complexity of the algorithm. The UADV has been applied to a magnetically-driven flow in a cubic vessel. Numerical simulations predicted a non-deterministic instability in the transitory region between laminar and turbulent flow regimes. A simultaneous two-dimensional two-component flow measurement with high spatial (3 ... 5 mm) and temporal resolution (frame rate 11,2 Hz) over long durations (> 1000 s) allowed to characterize those instabilities experimentally for the first time. A principal component analysis identified a pair of coupled modes with a complex vortex structure that performs a spontaneously onsetting oscillation at f = 0,072 Hz. The measurement uncertainty for the experiment has been evaluated to be σ v,rel = 13,9 % and is primarily caused by the spatial resolution of the system. The properties of ultrasound-based imaging are primarily determined by the sound field. The phased array Doppler velocimeter (PAUDV) has been developed as a modular flow instrumentation system with an adaptive sound field, which allows to increase the spatial and temporal resolution. Furthermore, an active control of the sound field enables measurements despite a complex, unknown sound propagation. A method to image through strong aberrations efficiently has been proposed with the time reversal virtual array (TRVA). It has been applied to flow imaging through a multimode waveguide, thus allowing to circumvent the limitation of common ultrasound imaging systems regarding their maximum operating temperature. This paves the way for in-process flow imaging of hot, opaque liquids in technical and industrial processes.

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The dissertation explores a framework for numerically simulating the deformation of the liquid metal wall's free surface in Z-pinch fusion devices. This research is conducted in the context of utilizing liquid metals as plasma-facing components in fusion reactors. In the Z-pinch fusion process, electric current travels through a plasma column and enters into a pool of liquid metal. The current flowing through the liquid metal generates Lorentz force, which deforms the free surface of the liquid metal. Modeling this phenomenon is essential as it offers insights into the feasibility of using liquid metal as an electrode wall in such fusion devices. The conventional magneto-hydrodynamic (MHD) formulation aims at modeling the situation where an external magnetic field is applied to flows involving electrically conducting liquids, with the initial magnetic field is known and then evolved over time through magnetic induction equation. However, in Z-pinch fusion devices, the electric current is directly injected into a conducting liquid. In these situations, an analytical expression for the magnetic field generated by the applied current is not readily available, necessitating numerical calculations. Moreover, the deformation of the liquid metal surface changes the geometry of the current path over time and the resulting magnetic field. By directly solving the Maxwell equations in combination with Navier-Stokes equations, it becomes possible to predict the magnetic field even when the fluid is in motion. In this dissertation, a numerical framework utilizing the Maxwell-Navier-Stokes system is explored to successfully capture the deformation of the liquid metal's free surface due to applied electric current. / Doctor of Philosophy / In this dissertation, a method is described that uses a computer to simulate how the initially stable, flat surface of liquid metal deforms when subjected to electrical currents in Z-pinch fusion devices, a specific type of nuclear fusion technology. Z-pinch fusion devices generate plasma, a hot fluid-like substance, through the nuclear fusion process, triggered and maintained by strong pulsated current. There's a growing interest in using liquid metal as the first layer of material to isolate the hot plasma from the rest of the nuclear fusion reactor body, rather than solid materials, due to its unique benefits. However, the Z-pinch fusion process, by introducing electric currents through the liquid metal layer, induces a Lorentz force that consequently deforms the surface of the liquid metal. Developing a tool to predict this deformation is vital as it aids in evaluating the potential of using liquid metal as a plasma-facing layer over solid materials in these fusion devices. The simulation tools presented in this dissertation are able to successfully captures the dynamics of how the liquid metal surface deforms under the impact of electrical currents.

L'objectif de cette étude est d'aboutir à une meilleure compréhension de la fragilisation par les métaux liquides (FML) à travers l'étude des systèmes T91/Pb-Bi et 316L/Pb-Bi et notamment d'en établir les mécanismes mis en jeu lors du contact entre ces aciers sous tension et le métal liquide. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE-TEST mis en place pour étudier la faisabilité d'une cible de spallation au plomb-bismuth liquide. L'effet de l'eutectique plomb-bismuth liquide sur le T91 et le 316L a été étudié en fonction de la température et de la vitesse de déformation, en utilisant des éprouvettes CCT adaptées à l'étude de propagation de fissures. La présence de Pb-Bi modifie le mécanisme de rupture du T91 au détriment de la germination, croissance et coalescence des cavités. La rupture procède alors par décohésion des bandes de cisaillement. L'effet fragilisant du Pb-Bi est très marqué aux très faibles vitesses de déformation. Une transition fragile-ductile se produit aux grandes vitesses de déformation (~10-5 m.s-1 à 160°C). Les propriétés mécaniques du 316L ne sont pas autant affectées par la présence de Pb-Bi, toutefois une transition réelle est observée sur les faciès de rupture, où là également il y a compétition entre l'effet fragilisant du métal liquide et la rupture ductile. Le mécanisme suggéré dans ce travail est fondé sur la localisation de la déformation en pointe de la fissure combinée au phénomène de réduction d'énergie de surface induite par adsorption de métal liquide (effet Rebinder) et ne fait intervenir aucun processus diffusionnel en particulier aux joints de grains. / The aim of this work is to study liquid metal embrittlement (LME) on the T91/Pb-Bi and 316L/Pb-Bi systems. A particular attention is paid to obtain a better understanding of the mechanisms of fracture when steels are in contact with liquid metal. This work has been performed within the European projects MEGAPIE-TEST and EUROTRANS which aim to prove the feasibility of lead-bismuth nuclear systems such as spallation target and subcritical reactors. The effect of liquid Lead Bismuth Eutectic (LBE) on 316L and T91 steels has been studied in plane stress conditions as a function of temperature and strain rate, using a CCT geometry adapted for the study of crack propagation. The presence of LBE modifies the fracture mechanism of T91 and prevents fracture by growth and coalescence of cavities. Cracking proceeds by shear band decohesion. This embrittlement effect is very pronounced at low deformation rate whereas at the high strain rate range investigated, a brittle to ductile transition is observed. The temperature variation of the transition rules out LME mechanisms based on dissolution. A fracture mechanics analysis by the J-µa methodology allowed the quantification of the embrittlement degree which is estimated to 30% reduction in the energy required for crack propagation. The mechanical properties of the 316L steel are weakly affected by the presence of LBE, in spite of a change in the plastic deformation at the highest triaxiality point which strongly affecting fracture surfaces. The mechanism of this embrittlement seems to be based on the deformation localization at the crack tip combined with the phenomenon of surface energy reduction induced by the liquid metal adsorption. It does not involve any diffusion process. The deformation localization is confirmed by an electron microscopy study of the crack tip plasticity of 316L under the influence of a liquid metal.

Les aciers TWIP (TWinning Induced Plasticity) à haute teneur en manganèse sont particulièrement prometteurs pour les applications automobiles de par leur excellent compromis entre résistance mécanique et ductilité. Cependant, la microstructure austénitique leur confère une sensibilité à la fragilisation par le zinc liquide durant les procédés de soudage ; le zinc liquide provenant de la fusion du revêtement résultant de l’élévation de température à la surface de l’acier. Dans cette étude, la fissuration d’un acier austénitique à haute teneur en manganèse a été étudiée en rapport avec le phénomène de fragilisation par les métaux liquides par des essais de traction à chaud réalisés sur des éprouvettes électrozinguées au moyen d’un simulateur thermomécanique Gleeble 3500. L’influence de nombreux paramètres tels que la température et la vitesse de déformation sur la fissuration a été étudiée. La fragilisation apparaît dans un domaine de température limité qui dépend des conditions expérimentales. Les conditions pour lesquelles la fissuration apparaît peuvent être rencontrées durant les procédés de soudage. L’existence d’une contrainte critique pour laquelle la fissuration apparait a été mise en évidence et celle-ci peut être utilisée comme critère de fissuration. Enfin, l’étude de l’influence de différents paramètres tels que le temps de contact entre l’acier et le zinc liquide avant l’application des contraintes, le revêtement et l’acier sur l’apparition de la fragilisation apporte des éléments de compréhension du mécanisme de fissuration et permet de proposer des solutions pour éviter la fissuration durant le soudage par point de l’acier étudié. / High manganese TWIP (TWinning Induced Plasticity) steels are particularly attractive for automotive applications because of their exceptional properties of strength combined with an excellent ductility. However, as austenitic steels, they appear to be sensitive to liquid zinc embrittlement during welding, the liquid zinc arising from the melted coating due to the high temperatures reached during the welding process. In this framework, the cracking behaviour of a high manganese austenitic steel has been investigated in relation to the liquid metal embrittlement (LME) phenomenon by hot tensile tests carried out on electro-galvanized specimens using a Gleeble 3500 thermomechanical simulator. The influence of different parameters such as temperature and strain rate on cracking behaviour has been studied. Embrittlement appears within a limited range of temperature depending on experimental conditions. Conditions for which cracking occurs could be experienced during welding processes. The existence of a critical stress above which cracking appears has been evidenced and this critical stress can be used as a cracking criterion. Finally, the study of the influence of different parameters such as time of contact between steel and liquid zinc before stress application, coating and steel on LME occurrence provides understanding elements of LME mechanism and permits to suggest solutions for preventing cracking during spot welding of such steels.

This thesis presents an experimental study which investigates the behaviour of gas bubbles rising in a liquid metal and the related bubble-driven flow under the influence of external DC magnetic fields. The experimental configuration considered here concerns a cylindrical container filled with the eutectic alloy GaInSn. Argon gas bubbles are injected through a single orifice located at the container bottom in the centre of the circular cross-section. A homogeneous magnetic field was generated by a Helmholtz configuration of a pair of water-cooled copper coils. The magnetic field has been imposed either in vertical direction parallel to the main bubble motion or in horizontal direction, respectively. A vertical magnetic field stabilizes and damps the liquid metal flow effectively. The temporal variations of the fluid velocity with time become smaller with increasing magnetic induction. The velocity magnitudes are decreased, and the velocity distributions along the magnetic field lines are smoothed. The flow field keeps the axisymmetric distribution. A horizontal magnetic field destabilizes and enhances the flow within a range of moderate Hartmann numbers (100 < Ha < 400). The flow becomes non-axisymmetric due to the non-isotropic influence of the magnetic field. In the meridional plane parallel to the field lines, the flow changes its direction from a downward to an upward motion. Enhanced downward flows were observed in the meridional plane perpendicular to the field lines. The liquid velocity in both planes shows strong, periodic oscillations. The fluid motion is dominated by large-scale structures elongated along the magnetic field lines over the entire chord lengths of the circular cross-section.

Beim kontinuierlichen Stranggießen von Stahl werden elektromagnetische Felder zur Strömungsbeeinflussung eingesetzt. In dieser Arbeit wird die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Kokillenströmung in einem Modellexperiment untersucht. Das statische Magnetfeld strukturiert die Strömung um, kann lokal die Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen und verändert die Ausbildung und Anzahl der für Brammenkokillen typischen großskaligen Wirbel. Es zeigt sich weiterhin, dass die elektrische Leitfähigkeit der Kokillenwände einen entscheidenden Einfluss auf die Wirkung einer elektromagnetischen Bremse hat. Unter isolierenden Wänden werden räumliche Oszillationen des Flüssigmetallstrahles initiiert und es bildet sich zwischen den beiden Kokillenhälften eine asymmetrische Strömung aus. Leitfähige Wände verhindern die Oszillationen und die Kokillenströmung ist symmetrisch. Eine eindeutige bremsende Wirkung der elektromagnetischen Bremse auf den Durchfluss konnte jedoch in beiden Fällen nicht festgestellt werden.

Denna studie undersöker möjligheten att påverka fientliga konstruktioner genom användandet av en effektiv metod, som kan medge en liten risk att upptäckas. Den tänkta påverkan uppnås genom fenomenet Liquid Metal Embrittlement (LME), med vilken höghållfasta metaller kan påverkas så mycket att de kollapsar av sin egenvikt. Uppsatsen studerar LME på ett ofta använt konstruktionsmaterial både civilt som militärt. Ett experiment genomfördes i syfte att undersöka effekterna av LME på en aluminiumlegering, där en aluminiumdetalj exponerades för metallen gallium. Förförsök genomfördes i syfte att undersöka inom vilka tidsförhållanden LME uppstod och experimentets exponeringstider planerades därefter. Efter varje exponeringstid genomfördes ett dragprov för att påvisa en minskad hållfasthet och seghet hos aluminiumet. Resultatet blev en stor minskning av hållfasthet och seghet, där hållfastheten sänktes till 20% av referensvärdet och segheten till 1% av referensvärdet, även om resultatet var spritt. / The possibility to damage enemy constructions using an efficient method, which might permit a low risk of detection, is studied in this thesis. This damage is based on the phenomena Liquid Metal Embrittlement (LME) with which high strength metals can be affected so much that they collapse under their own weight. This thesis studies this effect in a material often used for various constructions, both civilian and military. An experiment was conducted in order to evaluate the effects of LME on an aluminium alloy by exposing the aluminium to the metal known as gallium. A pre-experiment was made in order to determine how the time of exposure affected the LME-process and time-periods were decided accordingly. At each of the timeperiods a yield test was conducted in order to measure losses in strength and elasticity of the aluminium. It was shown that a great reduction in strength and elasticity occurred, where the strength was reduced to 20% of the reference sample and elasticity to 1% of the reference sample.