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CFD-Code - Entwicklung - Turbulenzmodellierung in Flüssigmetallströmungen

CFD-Code - Entwicklung - Turbulenzmodellierung in Flüssigmetallströmungen
Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Florian Trimborn

Turbulenzmodellierung in Flüssigmetallströmungen

Eine korrekte Beschreibung von Flüssigmetallströmungen ist für eine Vielzahl von technischen Anwendungen, wie z.B. in der Reaktortechnik, von großem Interesse. Experimentelle Untersuchungen des Verhaltens der turbulenten Fluktuationsgrößen des Geschwindigkeit- und Temperaturfeldes stellen bis heute ein eigenes Forschungsgebiet dar und sind nicht bzw. nur unter erheblichem Aufwand möglich.  

Aus diesem Grund sollte die numerische Strömungssimulation (CFD - Computational Fluid Dynamics) eingesetzt werden um ein besseres Verständnis der spezifischen Strömungsphänomene zu erhalten sowie um das Design und somit die Effizienz von technischen Anlagen und Systemen zu verbessern. Flüssigmetalle sind unter anderem durch eine sehr niedrige molekulare Prandtl-Zahl gekennzeichnet (z.B. flüssiges Natrium Pr~0.007). Dies führt unter anderem zu einem deutlichen Unterschied der Dicke der hydraulischen und thermischen Grenzschicht. 

 

 

Abb 1: Testsektion des Flüssigmetallexperiments (links); Ausschnitt der KASOLA-Testanlage (rechts) [KASOLA]

 

Bei An- bzw. Abfahrvorgängen und bei nicht beabsichtigten Betriebstransienten, wie z.B. Ausfällen von Komponenten, können in technischen Anlagen  Misch- bzw. Naturkonvektionsströmungen auftreten. Dies kann wesentlich das Verhalten, die Effizienz und die Sicherheit solcher Systeme beeinflussen und somit eine möglichste korrekte Vorhersagemöglichkeit durch geeigneten Auslegungswerkzeugen (z.B. CFD) erforderlich machen.  

Im Rahmen der LIMTECH-Allianz (Liquid Metal Technologies - Flüssigmetalltechnologien) wird innerhalb eines Projektes am Fachgebiet Strömungsmaschinen der turbulente Wärmeübergang in einem vertikal angeordneten Rechteckkanal bei unterschiedlichen Konvektionsarten untersucht. Als Folge der sehr nierdrigen molekularen Prandtl-Zahl verschiebt sich das Energiespektrum der turbulenten thermischen Fluktuationen zu niedrigeren Wellenzahlen. Modellansätze der turbulenten Wärmeflüsse, die auf der Annahme einer konstanten turbulenten Prandtl-Zahl beruhen, können das spezifische Verhalten von anistropen Flüssigmetallströmungen mit Wärmeübergang nicht korrekt wiedergeben.

Abb 2: Turbulenzinduzierte Sekundärströmungen im Rechteckkanal

 

Ziel des Projektes ist im Rahmen der reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen die Auswahl und Entwicklung geeigneter anisotroper Modellierungsansätze für flüssiges Natrium bei erzwungener, gemischter und natürlicher Konvektion. Hierfür werden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Neutronen- und Reaktortechnik (INR) des KIT Experimente an der KASOLA-Testanlage (KArlsruhe SOdium LAboratory) durchgeführt, die der Validierung der verwendeten Turbulenzmodelle dienen (KASOLA).