M. Kuschewski

IKE
Institut für Kernenergetik und Energiesysteme
Abt.: Energiewandlung und Wärmetechnik / Thermofluiddynamik
Strömungs-StrukturWechselwirkungsuntersuchungen
an der FSI-Versuchsanlage Stuttgart
M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien
IKE - Universität Stuttgart
1. PROJEKTSTATUSGESPRÄCH
Nuklearen Sicherheitsforschung
6. März 2013 Karlsruhe
IKE
Institut für Kernenergetik und Energiesysteme
Abt.: Energiewandlung und Wärmetechnik / Thermofluiddynamik
Überblick
Thermische Ermüdung
FSI-Versuchsanlage
Temperaturfelder
Strömungsformen
PIV-Messtechnik
NWLED-IF-Thermometrie
Vergleich zur Simulation
Zusammenfassung
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Abt.: Energiewandlung und Wärmetechnik / Thermofluiddynamik
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
AREVA NP 2009
LCF Überwachungsbereich
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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, 2009.
Q1,T1 = 280 °C
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Zusammenarbeit der Projektpartner
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FSI - Test Facility
FSI - Versuchsanlage
Druck:
Nebenstrang:
Hauptstrang:
Max. Temperturdifferenz:
Max. Dichteunterschied:
75 bar
20 °C, 0,1 kg/s, Re = 4100
280 °C, 0,4 kg/s, Re = 72000
260 K
rho80 / rho40 = 0,752 (24,8%)
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FSI - Test Facility
FSI - Versuchsanlage
T-Stück und TE-Modul
Zwei optische Module
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Erfassung von Temperaturfeldern
Gemessene Temperaturverteilung
in der Mischungszone
3D T-Stück-Modell mit Thermoelementen
als Modell für die Abaqus-Simulationen
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Identifikation von Strömungsformen
7 Strömungsformen
im T-Stück identifiziert
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Erstellung von Strömungsformenkarten
T  25 K  5 K
Variation der Versuchsparameter führt zur Änderung der
Strömungsformen im T-Stück
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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
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Particle Image Velocimetry (PIV)
Glasrohr
T-Stück
Erste Aufnahme
Zweite Aufnahme
PIV Kamera
expandierter
Laserstrahl
[Brunn 2006]
Bestimmung der mittlere Geschwindigkeit von
Partikelgruppen aus Doppelbildern
Laser
Mittels Glaspartikeln in der Strömung Bestimmung von
Geschwindigkeitsprofilen und Geschwindigkeitsspektren
in den T-Stück-Einläufen
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Anwendung der PIV an der FSI-Versuchsanlage
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Nahwand LED-induzierte Fluoreszenz-Methode
Bestimmung der räumlich und zeitlich
aufgelösten, wandnahen
• Dichteverteilung
• Temperaturfelder
• Mischungsskalarverteilung
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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
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Farbstoffuntersuchungen
Rhodamin B
NWLED-IF-Verfahren mit Rhodamin B bis 150 °C einsetzbar
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Anwendung des NWLED-IF-Verfahrens
Momentanes Temperaturfeld
T ( I F (t1 ))
Mittleres Temperaturfeld
T
Temperaturschwankungen
T (t )  T
Effektivwert der Schwankungen
Beispielaufnahmen aus Voruntersuchungen mit 36 mm x 47 mm
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Vergleich zur gekoppelten CFD-Simulation
Ansicht: Seite
Ansicht: Oben
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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
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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).
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Zusammenfassung
Errichtung der FSI-Versuchsanlage mit der MPA Universität Stuttgart
Implementierung der Messtechniken
• 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)
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Research Project
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!
Verbundprojekt
Thermische Wechselbeanspruchung
Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Strömung
und Struktur in Leichtwasserreaktoren
02NUK009A (MPA), 02NUK009B (IKE)
IKE
Institut für Kernenergetik und Energiesysteme
Abt.: Energiewandlung und Wärmetechnik / Thermofluiddynamik
Publikationsliste IKE & MPA
[Klo11]
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,
25.-30. September, 2011.
[Klo12a]
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, 10.–12. September, 2012.
[Klo12b]
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, 10.-11. Oktober, 2012.
[Kus10a]
M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Untersuchungen von Fluoreszenzfarbstoffeigenschaften bei hohen Drücken und
Temperaturen, Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, Cottbus, Deutschland, 7. – 9. September 2010.
[Kus10b]
M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Entwicklung von Messtechnik und Untersuchung von thermischen
Wechselbeanspruchungsphänomenen bei Kernkraftwerken, Jahrestagung Kerntechnische Gesellschaft e.V., Berlin,
Deutschland, 4.-6. Mai 2010.
[Kus11a]
M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Neuartige Anwendung der LED-induzierten Fluoreszenz-Thermometrie,
Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, Ilmenau, Deutschland, 6.- 8. September 2011.
[Kus11b]
M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Experimental setup for the investigation of fluid-structure interactions in a Tjunction, Nureth 14, Toronto, Canada, 25.- 30. September 2011.
[Kus11c]
M. Kuschewski, D. Klören, R. Kulenovic, E. Laurien, Influence of weld-seams on the fluid-structure interactions in pipe
flows, Fatigue Design, Senlis, Frankreich, 23.- 24. November 2011.
[Kus12a]
M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Near Wall LED Induced Fluorescence Method, International Conference on
Applications for Image based Measurements 2012, Großlaupheim, Deutschland, 6.- 7. März 2011.
[Kus12b]
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
2012.
[Kus12c]
M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Entwickung und Anwendung der wandnah LED-induzierten Fluoreszenz-Methode,
Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, Rostock, Deutschland, 4.- 6. September 2011.
[Kus13]
M. Kuschewski, R. Kulenovic, E. Laurien, Experimental setup fort he investigation of fluid-structure interactions in a Tjunction, International Journal of Nuclear Engineering and Design, 2013. Im Druck / Print
[Sch12]
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, 01.- 02.Oktober, 2012.