Motivation und Strategie

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Zweiphasenströmungen treten in zahlreichen industriellen Prozessen auf. Für die Auslegung, Optimierung und Sicherheitsanalyse entsprechender Apparate und Prozesse werden verlässliche Vorhersagen charakteristischer Strömungseigenschaften benötigt. Experimentelle Untersuchungen sind kostenintensiv und oft nicht auf veränderte Geometrien, Größenskalen, Strömungsbedingungen oder Stoffeigenschaften übertragbar. Daher besteht ein Bedarf an geeigneten numerischen Werkzeugen. Auf Grund der dreidimensionalen Natur von Strömungen und der Bedeutung der Turbulenz für viele praxisrelevante Fälle sind 1D-Modelle oder einfache Korrelationen für viele Fälle nicht ausreichend. Stattdessen werden zuverlässige 3D- CFD-Simulationen benötigt.
Die meisten Aktivitäten der CFD-Abteilung beziehen sich auf die Entwicklung und Validierung von Modellen für Gas-Flüssigkeits-Strömungen, jedoch gibt es auch einige Aktivitäten zu Gas-Feststoffpartikel und dreiphasigen Gas-Flüssigkeit-Feststoffpartikel-Strömungen.

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Die allgemeine Zielstellung

Die allgemeine Zielstellung besteht in der Bereitstellung verlässlicher Simulationswerkzeuge für Auslegungen, Optimierungen und Sicherheitsanalysen für Anwendungen von Mehrphasenströmungen auf mittleren und größeren Skalen. Die Aktivitäten zielen dabei vor allem auf industrielle Anwendungen. Sie stellen Beiträge zu den Helmholtz-Forschungsprogrammen „Energieeffizienz, Materialien und Ressourcen“ (EMR) und „Nukleare Sicherheitsforschung“ (NUSAFE) dar.
Die entwickelten und validierten Simulationswerkzeuge tragen zur Verbesserung der Energie- und Ressourceneffizienz (z. B. bei Prozessen der chemischen und petrochemischen Industrie) sowie zu einem sicheren Anlagenbetrieb (insbesondere in der Kerntechnik) bei.

Grundlegende Modellansätze

Auf Grund der mittleren und großen Skalen beispielweise von Chemiereaktoren oder von Komponenten in Kühlkreisläufen von Kernreaktoren stellt der Euler-Euler Zwei- oder Mehr-Fluid-Ansatz die Basis für die meisten Aktivitäten dar. Die entsprechenden Grundgleichungen (Massen-, Impuls- und Energiebilanzen) erhält man durch Mittelungsverfahren, bei denen die Information über die komplexe Phasengrenzfläche verloren geht. Allerdings bestimmt gerade die Struktur der Phasengrenzfläche die Wechselwirkungen zwischen den Phasen und umgekehrt wird die Struktur der Phasengrenzfläche durch die Phasenwechselwirkungen bestimmt. Daher müssen in einer adäquaten Modellierung die Phasenwechselwirkungen und die Struktur der Phasengrenzflächen in Schließungsmodellen berücksichtigt werden.

Probleme der Mehrphasen-CFD im Rahmen des Euler-Euler Ansatzes

Die Schließungsmodelle müssen grundsätzlich alle relevanten nicht aufgelösten lokalen Phänomene widerspiegeln. Auf Grund des begrenzten experimentellen Zugangs sind diese lokalen Phänomene aber oft nicht gut genug verstanden. Daher findet man in der Literatur eine Vielzahl von oft widersprüchlichen Schließungsmodellen für das gleiche Phänomen. Zahlreiche Simulationen, in denen Schließungsmodelle so gewählt wurden, um eine gute Übereinstimmung mit vorliegenden experimentellen Daten zu erreichen, wurden veröffentlicht. Die Ergebnisse sind ebenfalls widersprüchlich. Daher ist die Vorhersagefähigkeit von CFD-Simulationen für komplexe Zweiphasenströmungen basierend auf dem Mehr-Fluid-Ansatz oft noch beschränkt.

Strategie der CFD-Abteilung

Auf Grund der oben dargestellten Situation zielt die Strategie der CFD-Abteilung in zwei Richtungen:

1. Der Konsolidierung der Mehrphasen-CFD basierend auf dem Mehr-Fluid-Ansatz mit Hilfe der so genannten Baseline-Modell-Strategie.
2. Die Erstellung innovativer Modellierungskonzepte zur Erweiterung der Anwendbarkeit der Mehrphasen-CFD basierend auf dem Mehr-Fluid-Ansatz

Neben diesen eher generischen Arbeiten, stehen die Modellentwicklung und –validierung für spezielle industrielle Anwendungen im Zentrum der Aktivitäten der Abteilung.

CFD-Programme und experimentelle Arbeiten

Die Umsetzung der meisten Modelle erfolgt in den kommerziellen CFD-Code ANSYS-CFX. Im Rahmen einer langjährigen Kooperation sind verschiedene Mehrphasenmodelle gemeinsam entwickelt und validiert worden und in das Programm eingeflossen. Für einzelne Anwendungen wird auch Star-CCM+ von Siemens genutzt. Gegenwärtig  werden die zentralen Entwicklungen zur numerischen Simulation von Mehrphasenströmungen in OpenFOAM umgesetzt.

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. Solche Daten werden zum einen in eigenen dedizierten Experimenten  gewonnen, zum anderen besteht eine enge Zusammenarbeit mit der Abteilung Experimentelle Fluiddynamik. 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 Mehrzweckversuchsanlage TOPFLOW 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.