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Dr. Dirk Lucas
Head Computational Fluid Dynamics
d.lucasAthzdr.de
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Computational Fluid Dynamics (CFD)

Der Schwerpunkt der Aktivitäten der Abteilung CFD liegt in der Qualifizierung von CFD-Programmen für Mehrphasenströmungen. Das beinhaltet sowohl die Modellentwicklung als auch deren Validierung an geeigneten Experimenten. Eine ausführlichere Einordnung der Arbeiten ist unter dem Bild zu finden.

Die wichtigsten Themenbereiche, die derzeit bearbeitet werden, sind:

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Vergleich Messung - Rechnung der Wassergeschwindigkeit und der integralen Gasgehaltsverteilung

Vergleich zwischen Experiment und CFD-Simulation für die Umströmung einer halbseitigen Versperrung in einem vertikalen Rohr (links Flüssigkeitsgeschwindigkeit, rechts Gasgehalt)

CFD-Programme dienen der mehrdimensionalen Simulation von Strömungen. Die Grundgleichungen dafür sind seit langen bekannt. Da diese allerdings nur für sehr einfache Spezialfälle analytisch gelöst werden können, müssen numerische Methoden genutzt werden. Die dabei auftretenden Schwierigkeiten resultieren aus der Tatsache, dass sich die relevanten physikalischen Phänomene auf sehr unterschiedlichen Skalen abspielen. In turbulenten Strömungen gibt es Wirbel, deren Größe von der Dimension des betrachteten Strömungsvolumens bis zur molekularen Größenordnung hinab reicht. Eine direkte Simulation würde die Berücksichtigung dieses ganzen Skalenbereichs und damit sehr kleine Rechenzellen erfordern. Für viele praxisrelevante Fragestellungen führt das zu einer Anzahl von benötigter Rechenzellen, die mit der heute vorhanden und in den nächsten Jahrzehnten zu erwartenden Rechentechnik nicht verarbeitet werden kann. Daher ist es notwendig die Simulationen auf Rechengittern mit größeren Zellen durchzuführen. Phänomene, die auf Skalen keiner als der Größe der Rechenzelle ablaufen, müssen dann durch zusätzliche Modelle näherungsweise berücksichtigt werden.

Für einphasige Strömungen betrifft das insbesondere die Turbulenzmodellierung. Dafür wurden und werden zahlreiche Modelle mit unterschiedlicher Detailliertheit entwickelt. Generell hat die Modellentwicklung für Einphasenströmungen heute einen Stand erreicht, die eine breite Anwendung von CFD-Programmen in der Praxis erlaubt. So haben z.B. in der Automobil oder Flugzeugindustrie CFD-Simulationen bzgl. des Luftwiderstands und anderer strömungstechnischer Eigenschaften teure Windkanaluntersuchungen zu einem großen Teil ersetzt. CFD-methoden werden zunehmend auch zum Design, zur Optimierung und zur Sicherheitsbewertung industrieller Prozesse genutzt.

Für mehrphasige Strömungen, wenn sich also z.B. Flüssigkeit und Gas in dem betrachteten Volumen befinden, sind die CFD-Programme jedoch bisher nur eingeschränkt anwendbar. Heutige Berechnungsmodelle weisen noch erhebliche Defizite bei der Beschreibung räumlicher und zeitlich transienter Mehrphasenströmungen auf. Ursache dafür sind die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Phasen. Andererseits spielen Mehrphasenströmungen aber eine Schlüsselrolle in vielen Industriezweigen. Anwendungsbeispiele reichen von Blasensäulenreaktoren in der chemischen Verfahrenstechnik über Hydraulikkupplungen in der Antriebstechnik bis hin zur Kerntechnik. Dementsprechend besteht ein Bedarf Simulationen für solche praxisrelevanten Mehrphasenströmungen zur Auslegung, Optimierung und Sicherheitsbewertung zu nutzen.

Das längerfristige Ziel der in der Abteilung Computational Fluid Dynamics betriebenen Forschung besteht daher in der Qualifizierung von CFD-Programmen für Mehrphasenströmungen in Hinblick auf industrielle Anwendungen. Das schließt insbesondere die Entwicklung theoretischer Modelle für grundlegende Phänomene in dreidimensionalen und transienten Mehrphasensystemen ein. Es werden lokale, geometrieunabhängige Schließungsmodelle für die Beschreibung des Masse-, Impuls- und Energieaustauschs zwischen den Phasen und für die Dynamik der Phasengrenze aufgestellt und validiert. Diese Modelle bilden die unabdingbare Voraussetzung für die Anwendung komplexer Fluiddynamik-Programme auf chemisch-verfahrenstechnische und kerntechnische Anlagen. Wichtigster Partner für die CFD-Entwicklung ist der Entwickler des weltweit renommierten CFD-Programmpaketes CFX. Mit Hilfe dieses Partners fließen die im Rahmen des Vorhabens entwickelten Modelle in diesen Code ein.

Sowohl die Modellerarbeitung als auch die Validierung der Programme ist nur in enger Anbindung an das Experiment möglich. Dabei werden Daten in hoher Orts- und Zeitauflösung benötigt. Deshalb sind die Arbeiten der Abteilung eng mit denen der der Abteilung Experimentelle Fluiddynamik verbunden. Schwerpunkt sind dabei fortgeschrittene Experimente unter Nutzung innovativer Messverfahren. Diese liefern den Zugang zur zeitabhängigen Form und Größe der Phasengrenzfläche, über die der Stoff-, Impuls- und Energieaustausch zwischen den Phasen erfolgt.

Mit der MehrzweckversuchsanlageTOPFLOW und der im HZDR entwickelten Instrumentierung, die tomografische Verfahren einschließt, wird die Struktur von Zweiphasenströmungen bei realen Stoffparametern und in realistischen Geometrien mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung untersucht. TOPFLOW gehört zu den wichtigen Forschungs- und Nutzergeräten des HZDR. Sie ist die zentrale Versuchsanlage im Rahmen der nationalen Forschungsinitiative des BMWi zur Weiterentwicklung von CFD-Programmen für die Reaktorsicherheit. Mit den Gittersensoren und der neu entwickelten ultraschnellen Elektronenstrahl-Röntgentomographie ist das HZDR weltweit führend auf dem Gebiet der schnellen, hochauflösenden Zweiphasenmesstechnik. Außerdem steht das Forschungsvorhaben in enger methodischer Verbindung zu den Aktivitäten der Abteilung Magnetohydrodynamik.


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