Institute of Fluid Machinery

LIMTECH - Projekt B1 - Transition von erzwungener, gemischter und freier Konvektion in Flüssigmetallströmungen

Turbulenzmodellierung in Flüssigmetallströmungen

Turbulenzmodellierung von Flüssigmetallströmungen ist für eine Vielzahl von technischen Anwendungen, wie z.B. in der Reaktortechnik, von großem Interesse. Die numerische Strömungssimulation (CFD) kann hierbei eingesetzt werden um ein besseres Verständnis der spezifischen Strömungsphänomene zu erhalten sowie das Design von Anlagen und somit deren Effizient 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. 

Im Rahmen der LIMTECH-Allianz (Liquid Metal Technologies - Flüssigmetalltechnologien) wird innerhalb eines Projektes am Fachgebiet Strömungsmaschinen (FSM) 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 Flüssigmetallströmungen mit Wärmeübergangen nicht korrekt wiedergeben.

Ziel des Projektes ist die Auswahl und Entwicklung geeigneter anisotroper Modellierungsansätze bei erzwungener, gemischter und natürlicher Konvektion für flüssiges Natrium. 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).

 

 

 

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.

 

 

 

Abb 2: Turbulenzinduzierte Sekundärströmungen im Rechteckkanal