TOPFLOW-Experimente, Modellentwicklung und Validierung zur Qualifizierung von CFD-Codes für Zweiphasenströmungen: Abschlussbericht

Der vorliegende Bericht gibt einen zusammenfassenden Überblick der im Vorhaben erreichten Ergebnisse. Ziel war die Qualifikation von CFD-Methoden für Zweiphasenströmungen mit Phasenüber¬gang. Dafür werden neuartige experimentelle Daten benötigt. Diese können an der TOPFLOW-Anlage des HZDR generiert werden, da die Anlage Experimente in für die Reaktorsicher-heits¬forschung relevanten Skalen und Parametern mit innovativen Messtechniken verbindet. Die experimentellen Arbeiten umfassen Untersuchungen zu Strömungen in vertikalen Rohren mit Hilfe der ultraschnellen Röntgentomographie, zu Strömungen mit und ohne Phasenübergang in einem Testbassin sowie zur Gegenstrombegrenzung in einem Heißstrangmodell. Diese werden im vorliegenden Bericht nur kurz dargestellt, da es zu allen 3 Versuchsserien ausführliche Dokumentationen in separaten Berichten gibt. Ein wichtiges Ergebnis der Arbeiten zur CFD-Qualifizierung ist der Erstellung des Baseline-Modellkonzepts sowie die Erstellung des Baseline-Modells für polydisperse Blasenströmungen. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der Vorhersagefähigkeit von CFD-Codes auf Basis des Zwei- oder Mehr-Fluid-Modells erreicht. Das innovative Generalized Two-Phase Flow Konzept (GENTOP) zielt hingegen auf eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten der Zweiphasen-CFD. In vielen Strömungen treten unterschiedlicher Morphologien der Phasen bzw. Strömungsformen parallel in einer Strömungsdomäne auf. Außerdem gibt es Übergänge zwischen diesen Morphologien. Mit dem GENTOP-Konzept wurde erstmals ein Rahmen geschaffen der die Simulation solcher Strömungen auf konsistente Art und Weise ermöglicht. Spezielle Modellentwicklungen erfolgten mit dem Ziel einer besseren Modellierung des Phasenübergangs

Untersuchungen zur Auswirkung zeitlich und räumlich inkonstanter Flüssigkeitsströmungen auf die Messqualität der MR-Phasenkontrastangiographie an einem geometrisch variablen Strömungskanal

Motivation: Weltweit werden jedes Jahr 280 000 Herzklappen eingesetzt und laut WHO sind Gefäßerkrankungen die häufigste Todesursache in Deutschland und weltweit. Insbesondere Veränderungen der Strömungsgeometrie im menschlichen Blutkreislauf durch Gefäß- und Klappenprothesen oder Atherosklerose können zu Gefäßerkrankungen führen. Mit der Magnetresonanz-Phasenkontrastangiographie (PC-MRA) steht der Radiologie ein mächtiges Werkzeug zur Beurteilung der Strömungsverhältnisse im Herz-Kreislauf-System des Menschen zur Verfügung. Die physikalischen Grundlagen der Methode zeigen jedoch, dass die Messergebnisse für räumlich inhomogene, zeitlich inkonstante Strömungssituationen, wie sie bei Turbulenzen durch Stenosen oder Jets bei Herzklappeninsuffizienzen auftreten, nicht valide sind. Ziel: Das Ziel dieser Arbeit war es, laminare und turbulente Strömungen anhand der Daten aus PC-MRA-Messungen zu erkennen und die Auswirkungen von Geschwindigkeitsgradienten und Störungen des Magnetfeldes auf die PC-MRA zu untersuchen. Material und Methoden: Die Messungen im Kernspintomographen wurden an einem 81 cm langen, durch Rohreinsätze hochvariablen Strömungsphantom mit einem Durchmesser von 4,95 cm durchgeführt. Dieses erlaubte die Messung von Strömungen mit einer großen Bandbreite von Reynolds-Zahlen von 700 - 22 000 und war für den Dauerbetrieb ausgelegt. Anhand verschiedener Ansätze mit laminaren, turbulenten und hochturbulenten Strömungen mit teils inhomogenisiertem Magnetfeld wurden die Störeinflüsse auf die PC-MRA untersucht. Ergebnisse: Es war eine statistisch signifikante Unterscheidung zwischen Daten aus Messungen mit laminarer und turbulenter Strömung möglich. Die Effekte von Turbulenz und hohen Geschwindigkeitsgradienten innerhalb der Voxel auf die Signalstärke konnten genutzt werden, um durch die Wahl einer für langsame Flussgeschwindigkeiten sensiblen Geschwindigkeitskodierung auf die Amplitude der turbulenten Geschwindigkeitsschwankung zu schließen. Diese Methode eignete sich darüber hinaus, anhand der Effekte von Geschwindigkeitsgradienten Jets, wie sie bei Herzklappeninsuffizienzen oder Stenosen auftreten, aufzuzeigen. Die hohe zeitliche Auflösung der Sequenz ermöglichte die Darstellung von Fluktuationen des erzeugten Jets. Abschließend konnte gezeigt werden, dass Störungen der Homogenität des Magnetfeldes zu Signalabschwächungen führen und außerdem zu Messfehlern der Flussgeschwindigkeit führen können. Fazit: Diese Arbeit ermöglicht eine bessere Bewertung und Interpretation der Messergebnisse bei Flussmessungen mittels PC-MRA. Die Methoden zur Charakterisierung einer Strömungssituation als laminar oder turbulent erlauben eine bessere Beurteilung der Validität von Flussmessungen und geben Anlass, die gemessenen Daten genauer und kritischer zu betrachten. Durch Messung der Signalstärke von für kleine Geschwindigkeiten sensitive Flussmessungen können Turbulenzen und Jets entdeckt werden, die in Messungen mit Standardeinstellungen nicht genau gemessen werden können. Die Ergebnisse zu den Einflüssen von Magnetfeldstörungen auf die Flussmessung motivieren für weitere Forschung in diesem Bereich

Simultaneous Solution to Wind-Structure-Interaction

Ein simultanes Lösungsverfahren für Fluid-Struktur-Wechselwirkungen aus dem Bereich der Bauwerksaeroelastik wird vorgestellt. Die Modellierung der Tragwerksdynamik erfolgt mit der geometrisch nichtlinearen Elastizitätstheorie in total Lagrangescher Formulierung. Die Strömung wird mit den inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben, und wenn Turbulenzeffekte massgeblich sind, kommen die Reynolds-Gleichungen in Verbindung mit dem k-omega-Turbulenzmodell von Wilcox zum Einsatz. Die einheitliche Diskretisierung beider Felder mit der Raum-Zeit-Finite-Element-Methode führt zu einem konsistenten Berechnungsmodell für das gekoppelte System. Da die isoparametrischen Raum-Zeit-Elemente ihre Geometrie in Zeitrichtung ändern können, erlaubt die Methode eine natürliche Beschreibung des infolge Strukturbewegungen zeitveränderlichen Strömungsgebiets. Die gewichtete Integralformulierung der Kopplungsbedingungen mit globalen Freiwerten für die Randspannungen sichert eine konservative Kopplung von Fluid und Struktur. Beispielhafte Untersuchungen aeroelastischer Instabilitäten von Brückenquerschnitten und selbsterregter Flatterschwingungen von eigengewichtsvorgespannten Membranen belegen, dass die simultane Lösung des streng gekoppelten Systems zu einem effizienten Berechnungsverfahren mit hoher Konvergenz und Genauigkeit der numerischen Lösung führt.A simultaneous solution procedure for fluid-structure interaction problems in the area of building aeroelasticity is presented. The structural motion is described by a geometrically nonlinear theory for elastic deformation behavior using a total Lagrangian approach. The flow field is modeled by the incompressible Navier-Stokes equations, which will be Reynolds averaged, if turbulence effects are essential. In this case, the k-omega turbulence model of Wilcox is used. The space-time finite element method is applied to both continua leading to a consistent discretization of fluid and structure. Since isoparametric space-time elements are adaptable in time direction, the method implies a natural description of the time dependent fluid domain, which has moving boundaries as a result of structural deformations. In order to enforce momentum conservation between both continua, a weighted residual formulation of coupling conditions is introduced using boundary tractions as additional variables. Numerical investigations of aeroelastic instabilities of bridge deck cross sections and flutter phenomena of gravity prestressed membranes demonstrate efficiency and versatility of the numerical scheme, which ensures high convergence and accuracy due to the simultaneous solution of the strongly coupled system

Entwicklung und Validierung von Modellen für Blasenkoaleszenz und -zerfall

Ein neues, verallgemeinertes Modell für Blasenkoaleszenz und –zerfall wurde entwickelt. Es basiert auf physikalischen Überlegungen und berücksichtigt verschiedene Mechanismen, die zu Blasenkoaleszenz und –zerfall führen können. In einer ausführlichen Literaturrecherche wurden zunächst die verfügbaren Modelle zusammengestellt und analysiert. Es zeigte sich, dass viele widersprüchliche Modelle veröffentlicht wurden. Keins dieser Modelle erlaubt die Vorhersage der Entwicklung der Blasengrößenverteilungen entlang einer Rohrströmung für einen breiten Bereich an Kombinationen von Volumenströmen der Gas- und der Flüssigphase. Das neue Modell wurde ausführlich in einem vereinfachten Testsolver untersucht. Dieser erfasst zwar nicht alle Einzelheiten einer sich entlang des Rohres entwickelten Strömungen, erlaubt aber im Gegensatz zu den CFD-Simulationen eine Vielzahl von Variationsrechnungen zur Untersuchung des Einflusses einzelner Größen und Modelle. Koaleszenz und Zerfall kann nicht getrennt von anderen Phänomenen und Modellen, die diese widerspiegeln, betrachtet werden. Es bestehen enge Wechselwirkungen mit der Turbulenz der Flüssigphase und dem Impulsaustausch zwischen den Phasen. Da die Dissipationsrate der turbulenten kinetischen Energie ein direkter Eingangsparameter für das neue Modell ist, wurde die Turbulenzmodellierung besonders genau untersucht. Zur Validierung des Modells wurde eine TOPFLOW-Experimentalserie zur Luft-Wasser-Strömungen in einem 8 m langen DN200-Rohr genutzt. Die Daten zeichnen sich durch eine hohe Qualität aus und wurden im Rahmen des TOPFLOW-IIVorhabens mit dem Ziel eine Grundlage für die hier vorgestellten Arbeiten zu liefern, gewonnen. Die Vorhersage der Entwicklung der Blasengrößenverteilung entlang des Rohrs konnte im Vergleich zu den bisherigen Standardmodellen für Blasenkoaleszenz und -zerfall in CFX deutlich verbessert werden. Einige quantitative Abweichungen bleiben aber bestehen. Die vollständigen Modellgleichungen sowie eine Implementierung über „User-FORTRAN“ in CFX stehen zur Verfügung und können für weitere Arbeiten zur Simulation polydisperser Blasenströmungen genutzt werden

Strömungsphänomene der tropfenbasierten Mikrofluidik

The utilization of liquid/liquid two-phase flows in highly integrated Lab-on-a-chip systems opens up fascinating perspectives for the implementation of high-throughput applications with respect to sensitivity, performance, and cost savings. Droplet-based assays, where each sample droplet is created, processed, analyzed, and sorted individually, place high demands on the underlying microfluidic platform. The transport characteristics of droplet flows are subject to complex physical influences that have to be considered during the design of individual operation units right on to the complete microfluidic channel network. For this purpose, a comprehensive understanding of the flow phenomena occurring in droplet-based microfluidics is required, which is still incomplete especially for isotropically etched micro channels. The goal of this work is to lay the theoretical and metrological foundation that allows the prediction of the transport characteristics. The basis is provided by an extensive literature review that interdisciplinarily classifies the fluid dynamical aspects and identifies relevant parameters. Methods for micro flow diagnostics are adapted to the particular requirements of droplet flows and the metrological prerequisites for their implementation are developed. That way, by utilizing different complementing measurement methods, a consistent multidimensional dataset is created that is conforming with the theoretical predictions. Novel findings concerning the droplet internal flow field are substantiated by CFD simulations. In conclusion, an analytical transport model for two phase flows in isotropically etched micro channels was developed that can be applied successfully to all measurements. The developed methods and conclusions obtained from the results can be transferred to similar problems.Die Nutzung von Flüssig-Flüssig-Zweiphasenströmungen für die Realisierung tropfenbasierter hochintegrierter Lab-on-a-Chip-Systeme eröffnet faszinierende Perspektiven für die Implementierung von Hochdurchsatzanwendungen bezüglich Sensitivität, Durchsatz und Kostenersparnis. Tropfenbasierte Assays, bei denen jeder Probentropfen individuell erzeugt, prozessiert, analysiert und sortiert wird, stellen hohe Anforderungen an die zugrundeliegende mikrofluidische Plattform. So unterliegt das Transportverhalten von Tropfenströmungen komplexen physikalischen Einflüssen, welche beim Design einzelner Funktionsstrukturen bis hin zum gesamten mikrofluidischen Kanalnetzwerk berücksichtigt werden müssen. Dazu ist ein umfassendes Verständnis der in der tropfenbasierten Mikrofluidik auftretenden Strömungsphänomene erforderlich, welches insbesondere für isotrop geätzte Vollkanäle bisher nur lückenhaft existiert. Ziel dieser Arbeit ist es, die theoretischen und messtechnischen Grundlagen zu legen, welche die Vorhersage des Transportverhaltens ermöglichen. Als Basis dient zunächst ein ausführliches Literaturstudium, welches fachgebietsübergreifend eine Einordnung der einzelnen fluiddynamischen Aspekte vornimmt und die relevanten Einflussfaktoren identifiziert. Verfahren der Mikroströmungsdiagnostik werden an die besonderen Aspekte der Tropfenströmung angepasst und die messtechnischen Voraussetzungen für deren Anwendung geschaffen. Auf diese Weise entsteht durch die Nutzung verschiedener sich komplementierender Messverfahren eine in sich schlüssige multidimensionale Datenbasis, die sich mit den theoretischen Vorhersagen deckt. Neuartige Aussagen über das tropfeninterne Strömungsfeld werden zudem durch CFD-Simulationen untermauert. Vor diesem Hintergrund gelingt abschließend die Erstellung eines analytischen Transportmodells für Zweiphasenströmungen in isotrop geätzten Mikrokanälen, das sich auf alle Messergebnisse erfolgreich anwenden lässt. Die entwickelten Verfahren und die Folgerungen aus den Ergebnissen lassen sich ohne Weiteres auf ähnliche Problemstellungen übertragen

TOPFLOW-Experimente, Modellentwicklung und Validierung von CFD-Codes für Wasser-Dampf-Strömungen mit Phasenübergang

Das Ziel des Vorhabens bestand in der Ertüchtigung von CFD-Codes für Wasser-Dampf-Strömungen mit Phasenübergang. Während CFD-Verfahren für einphasige Strömungen bereits breite Anwendung in der Industrie finden, steht ein entsprechender Einsatz für Zweiphasenströmungen auf Grund der komplexen Phasengrenzfläche und den davon beeinflussten Wechselwirkungen erst am Anfang. Für die Weiterentwicklung und Validierung geeigneter Schließungsmodelle werden experimentelle Daten mit hoher Orts- und Zeitauflösung benötigt. Solche Daten wurden an der TOPFLOW-Versuchsanlage des HZDR durch Kombination von Experimenten bei praxisnahen Parametern für die Reaktorsicherheit (große Skalen, hohe Drücke und Temperaturen) und innovativer Messtechnik gewonnen. Die Gittersensortechnik, mit der detaillierte Informationen über die Phasengrenzfläche gewonnen werden können, wurde in adiabaten Wasser-Luft-Experimenten sowie Kondensations- und Druckentlastungsexperimenten in einem großen DN200-Rohr eingesetzt. Umfangreiche Datenbasen mit hoher Qualität stehen im Ergebnis des Vorhabens zur Verfügung. Die Technologie für die schnelle Röntgentomographie, die Messungen ohne Strömungsbeeinflussung ermöglicht, wurde weiter entwickelt und in einer ersten Messserie erfolgreich eingesetzt. Hochaufgelöste Daten wurden auch in Experimenten zu verschiedenen Strömungssituationen (z.B. Gegenstrombegrenzung) in einem Modell des heißen Strangs eines Druckwasserreaktors gewonnen. Für die Wasser-Dampf-Experimente bei Drücken von bis zu 5 MPa wurde dabei erstmals die neu entwickelte innovative Drucktanktechnologie eingesetzt. Zur Ertüchtigung von CFD-Codes für Zweiphasenströmungen wurde das Inhomogene MUSIG-Modell für Phasenübergänge in Kooperation mit ANSYS erweitert und anhand der o.g. TOPFLOW-Experimente validiert. Außerdem erfolgten Verbesserungen u.a. für die Turbulenzmodellierung in Blasenströmungen sowie Simulationen zur Validierung der Modelle für Blasenkräfte und Blasenkoaleszenz und -zerfall. Ein wesentlicher Fortschritt wurde bei der Modellierung freier Oberflächen durch die Verallgemeinerung des AIAD-Modells erreicht. Die am Heißstrangmodell ermittelten Flut¬kurven können unter Nutzung dieses Modells in guter Übereinstimmung berechnet werden

Untersuchung der Robustheit eines laminarerhaltenden Trennstellenkonzeptes im Rotorteststand

In dieser Bachelorarbeit wird die Robustheit eines Abdeckblechs bei Reynoldszahlen zwischen 16.500 und 230.000 auf einem Rotorteststand untersucht und qualitativ bewertet. Laminarerhaltende Flugzeugflügel besitzen Trennstellen, die eine laminar-turbulende Transition der Grenzschicht verursachen. Diese Trennstellen sollen mit einem Abdeckblech, dem sogenannten Coversheet, bedeckt werden, um die laminar-turbulente Transition zu verzögern. Das 30 mm breite Coversheet wird mit 25 mm breitem, doppelseitigem Klebeband mit der Flügelaußenfläche verklebt. Mittels Unterdruck wird der 5 mm breite, unverklebt gelassene Überhang auf die Flügeloberfläche angesaugt. Das Verhalten und die Robustheit des Abdeckblechs wird bei den Grenzzuständen, d. h. maximaler und minimaler Anstellwinkel (10° und – 5°) sowie das Verhalten bei einem simulierten Ausfall der Ansaugung ist Gegenstand der Untersuchung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt dabei in der Konzeptionierung und Integration einer nötigen Unterdruckversorgung, Präparation des Rotorteststands, Adaption und Integration des zu testenden Flügels mit dem genannten Abdeckkonzept sowie die Durchführung der Versuche. Mit dieser Arbeit soll der Nachweis erbracht werden, dass diese Methode bei Drehzahlen von bis zu 7,5 Hz und Reynoldszahlen zwischen 16.500 und 230.000 grundsätzlich funktionstüchtig ist und keine Vibrationen und keine Neigung zum Flattern auftritt. Zusätzlich wird der vorangegangene Fertigungsablauf dokumentiert

Development of a computational model for the flow analysis of an overflow gate and a rotating water wheel

2-Phasen-Strömungen spielen im Wasserbau sowohl bei der Überströmung von Verschlussorganen als auch bei der Durchströmung von Schaufelwasserrädern eine wesentliche Rolle für die Belastungsermittlung und die konstruktive Durchbildung. Ziel dieser Arbeit ist es, mittels numerischer Berechnungen einen Einblick in das Strömungsgeschehen am Schütz und im Wasserrad zu erlangen. Die Beschreibung der am Strömungsgeschehen beteiligten Fluidphasen erfolgt anhand der inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen in den primären Variablen Geschwindigkeit und Druck. Unter Hinzunahme einer Level-Set-Funktion in Verbindung mit einer regularisierten Heaviside-Funktion können sowohl Lage und Bewegung der Grenzfläche als auch ein stetiger Übergang zwischen den Materialparametersätzen abgebildet werden. Zur Diskretisierung des Fluidgebietes kommt die Raum-Zeit-Finite-Elemente-Methode zur Anwendung. Damit wird die Veränderlichkeit des Strömungsgebietes implizit bei der Abbildung auf das Referenzgebiet erfasst. Die Berücksichtigung der stetigen Drehbewegung des Wasserrades erfolgt mit Hilfe der Shear-Slip-Mesh-Update-Methode als diskontinuierlichem Netzbewegungsverfahren. Im Rahmen der numerischen Untersuchung der Strömungsvorgänge am vom Modellwasserrad losgelösten Regulierschütz mit Kreisbogengeometrie können fünf voneinander unterscheidbare Strömungszustände identifiziert werden. Für diese erfolgt eine Analyse der Wechselwirkungsvorgänge beider Fluidphasen im Bereich des Schützrückens und im angrenzenden Tosbecken. Für das Modellwasserrad erfolgt die numerische Untersuchung des Befüllungs- und Entleerungsvorganges. Neben dem Strömungsgeschehen in der Wasserphase wird dabei auch der Einfluss der Luftphase insbesondere bei der Be- und Entlüftung der Schaufelräume berücksichtigt. Sowohl für die Schützüberströmung als auch für die Durchströmungsvorgänge am Wasserrad wurden begleitende experimentelle Untersuchungen zur Validierung durchgeführt. Diese geben auch einen über die numerisch auflösbaren Skalen hinausgehenden Einblick in das Interaktionsverhalten der Fluidphasen. Die mit Hilfe des entwickelten Finite-Elemente-Programmes durchgeführten numerischen Untersuchungen haben sowohl am Schütz als auch beim Wasserrad die Beobachtung und Analyse von charakteristischen Strömungsphänomenen ermöglicht, für die bisher keine oder nicht in dem Umfang entsprechende Daten vorhanden waren.Two phase flows are the dominant flow regime in hydraulic engineering regarding the overflow at gates as well as the throughflow in water wheels. The aim of this thesis is to gain insight into the flow behaviour at overflow gates and in rotating water wheels by means of a computational model. Both fluid phases are modelled using the incompressible Navier-Stokes equations with velocity and pressure as primal variables. Position and movement of the interface are described via a level set function in conjunction with a Heaviside function allowing a continuous transition between both material parameter sets. The discretisation is performed by application of the space-time finite element method in combination with the shear-slip mesh-update method as discontinuous mesh moving technique for capturing the rotation of the water wheel. The numerical analysis of the two phase flow at the overflow gate reveals five distinct flow states. An in-depth analysis of these states is performed with specific focus on the downstream area beginning at the gate top as well as the plunge pool. Besides its independent use, the overflow gate serves as adjustment device regulating the inflow into the water wheel. Therefore, a numerical analysis of the filling and discharge process of the rotating water wheel is conducted as well. Among others the numerical analysis of the two-phase flow in the water wheel highlights the significant influence of the air phase regarding the ventilation of the interspaces. Furthermore, the effects onto the flow field of the blades passing closely the regulating gate can be quantified. The numerical analyses of overflow gate and water wheel are accompanied by physical experiments. Besides validation purpose additional insight is gained related to the flow characteristics which could not be resolved numerically. Based on the developed computational model the performed numerical analyses yield insight into characteristic flow patterns at overflow gates and especially in water wheels, for which no or not enough numerical data has been available until now