Modellierung turbulenter, zwangs- und mischkonvektiver Flüssigmetallströmungen bei unstetiger Kanalquerschnittsänderung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Turbulenz- und Wärmeflussmodellen für den industriellen Einsatz. Dabei liegt der Fokus auf der Wärmeübertragung in Flüssigmetallen, speziell von flüssigem Natrium. Flüssigmetalle zeichnen sich durch die hohe molekulare Wärmeleitfähigkeit aus, wodurch sie sich für den Einsatz in Wärmeübertragern eignen.

Die vorliegenden Arbeit trägt dazu bei, die Abschätzung der Einsatzbereiche von Turbulenzmodellen in Abhängigkeit der gewählten Anfangs- und Randbedingungen zu verbessern. Hierfür wird zunächst eine ebene Plattenströmung mit beidseitig beheizten Wänden mit Hilfe der Turbulenz- und Wärmeflussmodellen bei Zwangskonvektion untersucht. ... mehrDabei liegt das Augenmerk auf der Fähigkeit, den globalen Wärmeübergang in das Fluid zu beschreiben. Im Anschluss werden die Modelle zur Beschreibung einer turbulenten Strömung bei unstetiger Kanalquerschnittsänderung untersucht. Dabei werden die Stufenhöhe und die Zuströmgeschwindigkeit variiert.
Abschließend wird der Einfluss von Auftriebskräften auf die turbulente Strömung bei unstetiger Kanalquerschnittsänderung behandelt.
Hierfür werden zwei ausgewählte Turbulenz und Wärmeübergangsmodelle herangezogen.

Der Vergleich numerischer und experimenteller Daten zeigt, dass sich einfache Korrelationen zur Bestimmung der lokalen turbulenten Wärmediffusion
eignen und diese eine bessere Vorhersage für das Temperaturfeld und den Wärmeübergang liefern als komplexe Zwei-Gleichungs-Modelle. Es zeigt sich jedoch, dass für die korrekte Beschreibung des Wärmeübergangs höherwertige, nichtlineare Modelle benötigt werden.

The present work is concerned with the investigation of turbulence and heatflux models for industrial applications. The focus is on heat transfer in liquid metals, especially liquid sodium. Liquid metals are characterized by their high molecular thermal conductivity, which makes them suitable for use in heat exchangers.

The present work contributes to the ability to estimate the application range of the turbulence models as a function of the selected initial and boundary conditions. For this purpose, first a plane plate flow with walls heated on both sides is investigated using the turbulence and heat flow models with forced convection. ... mehrThe emphasis is on the ability to describe the global heat transfer into the fluid. Subsequently, the models for describing a turbulent flow in a channel with sudden expansion are investigated, whereby the step height and the inflow velocity are varied. Finally, the influence of lift forces on the channel flow with sudden expansion is discussed.
Two selected turbulence and heat transfer models are used for this purpose.

The comparison of numerical and experimental data shows that simple correlations are suitable for the determination of local turbulent heat diffusion and that these provide a better prediction of the temperature field and heat transfer than complex two-equation models. However, it turns out that for the correct description of the heat transfer, higher-quality, non-linear models are required.