Numerische Untersuchung von thermischen Vermischungsvorgängen in verschiedenen Rohrleitungskonfigurationen

Abstract

In Kraftwerken sind die Rohrleitungssysteme von Kühlkreisläufen z. T. hohen zyklisch-thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, die durch transiente Betriebsbedingungen und turbulente Strömungsvermischungsvorgänge verursacht werden. Bei einer unvollständigen Durchmischung können Strömungs- und Turbulenzphänomene vorkommen, welche zu thermischen Wechselbeanspruchungen und Spannungen im Rohrleitungsmaterial führen. Um ein potenzielles Bauteilversagen und somit ein Sicherheitsrisiko zu vermeiden, gewinnt ein genaues Verständnis über die Ursache und Entstehung einer strömungsinduzierten Schädigung zunehmend an Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden thermische Strömungsvermischungsvorgänge in Rohrleitungs-T-Stücken untersucht. Zunächst wurde die numerische Methodik verifiziert und anschließend mit experimentellen Daten der Fluid-Struktur Interaktionsanlage der Universität Stuttgart validiert. Die Untersuchung von Durchmischungsprozessen in verschiedenen T-Stück-Konfigurationen (eine horizontale Konfiguration und zwei vertikale Konfigurationen) ermöglicht die Erforschung von Strömungs- und Turbulenzphänomenen sowie dichtebedingten Auftriebskräften, welche sich sowohl auf das Strömungs- und das Temperaturfeld als auch auf die Temperaturschwankungen auswirken. Ein weiterer Aspekt in dieser Arbeit ist die Behandlung von Strömungsdurchmischungsvorgängen mit hohen Reynoldszahlen. Zusätzlich werden die resultierenden Strömungsformen hinsichtlich des Transports und der Dämpfung von thermischen Schwankungen an der unmittelbaren Fluid-Struktur-Grenzfläche untersucht. In dieser Arbeit werden wandaufgelöste Large-Eddy-Simulationen (LES) unter Berücksichtigung der thermischen Fluid-Struktur-Interaktion durchgeführt. Durch die Auflösung der großskaligen, energiereichen Strukturen eignet sich die Methodik der LES zur Untersuchung von zyklischen Schwankungen, wodurch zusätzlich die dreidimensionalen Wirbelstrukturen und das Energiespektrum der Turbulenz einschließlich der niederfrequenten Oszillationen vorhergesagt werden können. Die numerischen Ergebnisse demonstrieren, dass Vermischungsvorgänge mit hohen Richardsonzahlen in verschiedenen T-Stück-Konfigurationen zu unterschiedlichen Strömungsformen führen. Eine Verringerung der Richardsonzahl hat zur Folge, dass geringe Gravitationskräfte auf die Strömung wirken. Dadurch bilden sich in verschiedenen T-Stück- Konfigurationen ähnliche Strömungsmuster aus. Die Erhöhung der Reynoldszahl führt zum Transport der Fluktuationen näher zur inneren Rohrwand, wodurch das periodische Strömungsverhalten ein erhöhtes Risiko für eine thermische Ermüdung darstellt. Die zeitliche Auflösung des Strömungsfelds zeigt neben der Wirbelablösung auch die Entwicklung von Hufeisenwirbeln im Vermischungsbereich. Des Weiteren bilden sich im Rezirkulationsgebiet gegenläufige Wirbelpaare aus, deren Form und Größe wesentlich von den Strömungsbedingungen abhängt. Die Charakterisierung der zyklisch wiedergekehrenden Temperaturänderungen und den natürlich auftretenden Frequenzen führt zu einem besseren Verständnis von thermischen Vermischungsvorgängen in komplexen Strömungen und liefert einen Beitrag zur Identifikation einer strömungsinduzierten thermischen Ermüdung des Rohrmaterials.