M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien

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1 IKE Institut für Kernenergetik und Energiesysteme Abt.: Energiewandlung und Wärmetechnik / Thermofluiddynamik Strömungs-Struktur- Wechselwirkungsuntersuchungen an der FSI-Versuchsanlage Stuttgart M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien IKE - Universität Stuttgart 1. PROJEKTSTATUSGESPRÄCH Nuklearen Sicherheitsforschung 6. März 2013 Karlsruhe

2 Überblick Thermische Ermüdung FSI-Versuchsanlage Temperaturfelder Strömungsformen PIV-Messtechnik NWLED-IF-Thermometrie Vergleich zur Simulation Zusammenfassung 2

3 FSI* - Niederzyklische Wechselbeanspruchungen Instationäre nicht-isotherme Strömungen verursachen Temperaturfluktuationen in Strukturen. Low Cycle Fatigue (LCF) Langsame Temperaturänderungen, z. B. Transienten > 1 Sekunde. Überwachungssysteme und Vorhersagemodelle verfügbar. * Fluid-Structure-Interactions LCF Überwachungsbereich AREVA NP

4 FSI - Hochzyklische Wechselbeanspruchungen High Cycle Fatigue (HCF) Schnelle Temperaturfluktuationen Frequenzen > 1Hz. Turbulente Vermischung induziert Temperaturfluktuationen auf der Strukturoberfläche. Q2,T2 = 20 C Kein Überwachung möglich. Keine präzise Lebenszeitanalyse. S. Chapuliot, THERMAL FATIGUE IN MIXING AREAS: Overview of the industrial problem, NEA Headquarters, AREVA, Q1,T1 = 280 C 4

5 Zusammenarbeit der Projektpartner 5

6 FSI - Test Facility FSI - Versuchsanlage Druck: 75 bar Nebenstrang: 20 C, 0,1 kg/s, Re = 4100 Hauptstrang: 280 C, 0,4 kg/s, Re = Max. Temperturdifferenz: 260 K Max. Dichteunterschied: rho80 / rho40 = 0,752 (24,8%) 6

7 FSI - Test Facility FSI - Versuchsanlage T-Stück und TE-Modul Zwei optische Module 7

8 Erfassung von Temperaturfeldern Gemessene Temperaturverteilung in der Mischungszone 3D T-Stück-Modell mit Thermoelementen als Modell für die Abaqus-Simulationen 8

9 Identifikation von Strömungsformen 7 Strömungsformen im T-Stück identifiziert 9

10 Erstellung von Strömungsformenkarten T 25K 5K Variation der Versuchsparameter führt zur Änderung der Strömungsformen im T-Stück 10

11 Instabile Strömung im Nebenstrang Tritt auf bei 0,4 kg/s / 0,1 kg/s, ΔT > 130K Relative große Temperaturfluktuationen auf der Rohroberfläche im Nebenstrang 11

12 Particle Image Velocimetry (PIV) Glasrohr T-Stück Erste Aufnahme Zweite Aufnahme PIV Kamera expandierter Laserstrahl Bestimmung der mittlere Geschwindigkeit von Partikelgruppen aus Doppelbildern [Brunn 2006] Laser Mittels Glaspartikeln in der Strömung Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen und Geschwindigkeitsspektren in den T-Stück-Einläufen 12

13 Anwendung der PIV an der FSI-Versuchsanlage 13

14 Nahwand LED-induzierte Fluoreszenz-Methode Bestimmung der räumlich und zeitlich aufgelösten, wandnahen Dichteverteilung Temperaturfelder Mischungsskalarverteilung 14

15 Farbstoffuntersuchungen Untersuchte Eigenschaften der fluoreszierenden Farbstoffe: Optisch zugänglicher Druckbehälter Wasserlöslichkeit Molares Extinktionsmodul Temperaturbeständigkeit Druckabhängigkeit Interaktion von Farbstoffmolekülen Sauerstoffinteraktion Temperaturabhängiges Emissionsspektrum Untersuchung von Farbstoffeigenschaften unter den Versuchsanlagenbedingungen 15

16 Farbstoffuntersuchungen Rhodamin B NWLED-IF-Verfahren mit Rhodamin B bis 150 C einsetzbar 16

17 Anwendung des NWLED-IF-Verfahrens Momentanes Temperaturfeld T ( I F ( t 1)) Temperaturschwankungen T ( t) T Mittleres Temperaturfeld T Effektivwert der Schwankungen Beispielaufnahmen aus Voruntersuchungen mit 36 mm x 47 mm 17

18 Vergleich zur gekoppelten CFD-Simulation Ansicht: Seite Ansicht: Oben 18

19 Vergleich zur gekoppelten CFD-Simulation Schnittdarstellung Instationäre Grobstruktur-Simulation (LES) (Bsp. grobes Netz mit 4,7E+06 Zellen) Momentanaufnahme der wandnahen Temperaturunterschiede; Fluktuationen außerhalb des T-Stücks deutlich geringer 19

20 Vergleich zur gekoppelten CFD-Simulation 1 cm Experiment Instationäre Grobstruktur-Simulation (LES) (Bsp. grobes Netz mit 4,7E+06 Zellen) Die Größe der erfassbaren Strukturen entspricht denen aus der Simulation mit feinen Netze (19,2E+06 Zellen). 20

21 Implementierung der Messtechniken Zusammenfassung Errichtung der FSI-Versuchsanlage mit der MPA Universität Stuttgart Konstruktion und Fertigung zweier Optischer- und eines Thermoelementmoduls Adapterierung des PIV Lasermesssystems Entwicklung der NWLED-IF-Thermometrie (bis 150 C) Durchführung von Messkampagnen Dokumentation der Geschwindigkeitsprofile in den Einlaufsträngen Identifikation von sieben Strömungsformen (bis ΔT=130K) Erstellung von Strömungsformenkarten (ΔT=25K, 75K, 125K) Charakterisierung der Mischungszone Durchführung von Simulationen Entwicklung eines gekoppelten CFD-Simulationsmodells (LES) Vergleich berechneter und gemessener Strukturgrößen (gleiche Größenordnung) Abbildung der dokumentierten Strömungsformen Übergabe der berechneten Temperaturfelder an die Struktursimulation (MPA) 21

22 Research Project Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Verbundprojekt Thermische Wechselbeanspruchung Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Strömung und Struktur in Leichtwasserreaktoren 02NUK009A (MPA), 02NUK009B (IKE)

23 [Klo11] [Klo12a] [Klo12b] [Kus10a] [Kus10b] [Kus11a] [Kus11b] [Kus11c] [Kus12a] [Kus12b] [Kus12c] [Kus13] [Sch12] Publikationsliste IKE & MPA Klören D., Laurien E., Large-eddy simulation of thermal mixing in a t-junction with conjugate heat transfer, In Proceedings of The 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermalhydraulics, Toronto, Ontario, Canada, September, Klören D., Laurien E., Large-Eddy Simulation of Stratified Flows in Pipe Configurations Influenced by a Weld Seam, CFD for Nuclear Reactor Safety Applications (CFD4NRS-4) Workshop, Daejeon, Korea, September, Klören D., Laurien E., Large-Eddy Simulations of Stratified and Non-Stratified T-junction Mixing Flows, The 15th Results and Review Workshop of the HLRS, Stuttgart, Deutschland, Oktober, M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Untersuchungen von Fluoreszenzfarbstoffeigenschaften bei hohen Drücken und Temperaturen, Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, Cottbus, Deutschland, September M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Entwicklung von Messtechnik und Untersuchung von thermischen Wechselbeanspruchungsphänomenen bei Kernkraftwerken, Jahrestagung Kerntechnische Gesellschaft e.v., Berlin, Deutschland, Mai M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Neuartige Anwendung der LED-induzierten Fluoreszenz-Thermometrie, Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, Ilmenau, Deutschland, September M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Experimental setup for the investigation of fluid-structure interactions in a T- junction, Nureth 14, Toronto, Canada, September M. Kuschewski, D. Klören, R. Kulenovic, E. Laurien, Influence of weld-seams on the fluid-structure interactions in pipe flows, Fatigue Design, Senlis, Frankreich, November M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Near Wall LED Induced Fluorescence Method, International Conference on Applications for Image based Measurements 2012, Großlaupheim, Deutschland, März M. Kuschewski, E. Laurien Entwicklung von Messtechnik zur Untersuchung von Strömungs-Struktur-Interaktionen in Rohrleitungssystemen unter LWR-Bedingungen, Internationale Zeitschrift für Kernenergie atw, 57. Jg,, August/September M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Entwickung und Anwendung der wandnah LED-induzierten Fluoreszenz-Methode, Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, Rostock, Deutschland, September M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Experimental setup fort he investigation of fluid-structure interactions in a T- junction, International Journal of Nuclear Engineering and Design, Im Druck / Print X. Schuler, K.-H. Herter, S. Moogk, E. Laurien, D. Klören, R. Kulenovic, M. Kuschewski, Thermal fatigue: Fluid-structure interaction at thermal mixing events, 38. MPA-Seminar, Stuttgart, Deutschland, Oktober, 2012.

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