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Dr. Thomas Höhne

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Baseline-Modell für separierte Strömungen – AIAD

CFD-Simulationen für Strömungen mit freien Oberflächen werden oft auf Grundlage des homogenen Modellansatzes durchgeführt, bei dem nur ein Satz von Bilanzgleichungen betrachtet wird. Die verschiedenen Phasen werden dann durch unterschiedliche Stoffwerte berücksichtigt.

Strömungsmorphologien im HAWAC Kanal
Abb. 1: Verschiedene Strömungsmorphologien im HAWAC Kanal.

Da nur ein Geschwindigkeitsfeld berechnet wird, führt das zu Problemen sobald die Phasen nicht klar räumlich getrennt sind, was z. B. bei Blasenentrainment in einer Wellen- oder Schwallströmung der Fall ist (Abb. 1). Die Separation der Phasen kann dann nicht korrekt beschrieben werden.

Am HZDR wird deshalb der Euler-Euler-Ansatz für Mehrphasenmodellierung auch für den Fall von Strömungen mit freien Oberflächen genutzt. Ein Problem der Simulation von Zweiphasenströmungen mit CFD-Codes besteht darin, dass lokal unterschiedliche Morphologien der Phasengrenzen auftreten können. An der Phasengrenze zwischen kontinuierlichen Phase (d.h. in der Simulation wird die Phasengrenze aufgelöst) müssen andere Schließungsmodelle, z. B. für den Impulsaustausch, angewendet werden als an einer Grenze zwischen kontinuierlicher und disperser Phase (bei dispersen Phasen wird sie Phasengrenze nicht aufgelöst). Bisher war das nicht möglich, da die Information über die jeweils vorliegende Strömungsmorpholgie im CFD-Code nicht vorlag.

HOTLEG CFD
Abb. 2: Gleichstromexperiment am Heißstrangmodell, Vergleich Experiment und CFD.

Deshalb wurde in enger Zusammenarbeit mit ANSYS CFX das Algebraic Interfacial Area Density (AIAD-Modell) entwickelt. Hierbei erkennt das Modell die lokale Strömungsform an Hand bestimmter Kriterien, wie z. B. dem lokalen Phasenanteil und schaltet mit einem Überblendalgorithmus auf die jeweils gültige Korrelationen  z. B. für die Zwischenphasengrenzflächendichte, den Phasenwiderstandskoeffizienten oder die charakteristischen Länge um. Es kann nun zwischen Bereichen, wo Tröpfchen bzw. Blasen vorherrschen und einer Region der freien Oberfläche unterschieden werden. Ein wichtiges Ziel der Beschreibung von Zweiphasenströmungen ist die korrekte Bestimmung von Turbulenzparametern. Diese haben zum Beispiel einen entscheidenden Einfluss auf die Generierung von Oberflächeninstabilitäten. Ohne eine spezielle Behandlung der freien Oberfläche ergeben bei Nutzung von Zweigleichungsturbulenzmodellen (k-ε; k-ω) die hohen Geschwindigkeitsgradienten speziell der Gasphase eine zu hohe Turbulenz an der Phasengrenzfläche. Im neuen Ansatz erfolgt nun die Berechnung der Turbulenz separat für jede Phase mit dem k-ω Turbulenzmodell. Eine zusätzliche Dämpfungsfunktion ähnlich der Wanddämpfungsfunktion für die turbulente Diffusion wurde an der freien Oberfläche eingeführt.

Ein weiterer Schritt der Verbesserung der Modellierung der Turbulenz an der freien Oberfläche ist die Berücksichtigung der Sub-Grid Wave Turbulenz (SWT). Sie entsteht durch kleine Oberflächenwellen, die von Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten ausgehen, die kleiner als die Gitterweite sind. In der Tat kann der Einfluss auf die Turbulenz der flüssigen Phase signifikant sein.

WENKA
Abb. 3: Gleichstromexperiment an der WENKA Anlage, Vergleich Standard CFD Model vs. AIAD model.

Auch eine verbesserte Beschreibung des Widerstandskoeffizienten an der freien Oberfläche auf Basis der Oberflächenscherspannungen ist im Modell eingebaut.

CFD-Validierungsrechnungen wurden für Gleich- und Gegenstromstromexperimente am  Heißstrangmodell (Abb. 2) und an der WENKA-Anlage (Abb. 3), für Schwallströmungen und dem stationären hydraulischen Sprung im HAWAC Kanal zeigten durchweg gute Ergebnisse. 

Für Anwendungen zu Phasenübergängen steht folgende Webseite zur Verfügung: Phasenübergang an freien Oberflächen.

Literatur

  • Porombka, P.; Höhne, T., Drag and turbulence modelling for free surface flows within the two-fluid Euler-Euler framework, Chemical Engineering Science 134(2015), 348-359
  • Höhne, T.; Hänsch, S., A droplet entrainment model for horizontal segregated flows, Nuclear Engineering and Design 286(2015), 18-26
  • Höhne, T., Mehlhoop, J.-P., Validation of closure models for interfacial drag and turbulence in numerical simulations of horizontal stratified gas-liquid flows, International Journal of Multiphase Flow (2013)
  • Lucas, D.; Coste, P.; Höhne, T.; Lakehal, D.; Bartosiewicz, Y.; Bestion, D.; Scheuerer, M.; Galassi, M. C., CFD modeling of free surface flow with and without condensation, Multiphase Science and Technology 23(2011), 253-342
  • Höhne, T.; Deen, D.; Lucas, D., Numerical simulations of counter-current two-phase flow experiments in a PWR hot leg model using an interfacial area density model, International Journal of Heat and Fluid Flow 32(2011), 1047-1056
  • Höhne, T.; Vallée, C., Experiments and numerical simulations of horizontal two phase flow regimes using an interfacial area density model, The Journal of Computational Multiphase Flows 2(2010)3, 131-143
  • Bartosiewicz, Y.; Seynhaeve, J.-M.; Vallee, C.; Höhne, T.; Laviéville, J., Modeling free surface flows relevant to a PTS scenario: comparison between experimental data and three RANS based CFD-codes - Comments on the CFD-experiment integration and best practice guideline, Nuclear Engineering and Design 240(2010), 2375-2381

Danksagung

Die Arbeit wurde teilweise vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit unter der Projektnummer 150 1265 gefördert.

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