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Thermofluiddynamik

Thermofluiddynamik
Forschungsthema:Bewertung von Daten, Korrelationen und Modellen für Nu-Zahlen und turbulente Prandtl-Zahlen in Flüssigmetallströmungen verschiedener Geometrien
Typ:Diplom- / Masterarbeit
Datum:ab sofort
Betreuer:

Dr.-Ing. J. Pacio, Dr.-Ing. Luca Marocco

Bearbeiter:zu vergeben

Motivation

Im KArlsruhe Liquid Metall LAboratory (KALLA) werden verschiedene grundlagen- und anwendungsorientierte Versuche zur Thermofluiddynamik von flüssigen Metallen durchgeführt. Hierzu stehen mehrere Flüssigmetallkreisläufe mit den Arbeitsmedien Blei, Blei-Wismuth, Natrium und Indium-Gallium-Zinn zur Verfügung. Die Größe der KALLA-Flüssigmetallkreisläufe ermöglicht unter anderem 1:1-Modellversuche für die Stabbündelkühlung mit Blei-Wismut. Zudem verfügt das Labor über zwei Wasserkreisläufe. Eine umfassende Messtechnikausstattung mit Laser-Doppler-Anemometrie, Particle-Image-Velocimetry, Durchfluss- und Druckmesstechnik, Temperaturmesstechnik sowie lasergestützter Oberflächenmesstechnik ermöglicht die umfassende Charakterisierung der untersuchten thermofluiddynamischen Effekte.

Forschungsziel

Korrelationen für die Wärmeübertragung in flüssigen Metallen sind wichtig für sichere Auslegung von Kühlsystemen auf Flüssigmetallbasis. Das Anwendungsspektrum reicht von Elementar-teilchenquellen und Transmutationssystemen über Elektronikkühlung bis hin zu konzentrierenden solarthermischen Kraftwerken. Neben klassischen Auslegungsmethoden kommen hierfür natürlich auch moderne Simulationsverfahren wie die CFD zum Einsatz.

Die sehr niedrige molekulare Prandtl-Zahl führt bei Flüssigmetallen zu einer Skalenseparation zwischen Wärme- und Impulstransport, welche zahlreichen Analogieüberlegungen, die z.B. auch Basis vieler Turbulenzmodelle sind, die Grundlage entzieht. Die sogenannte turbulente Prandtl-Zahl spielt in diesem Zusammenhang eine sehr wichtige Rolle sowohl für die obengenannten Korrelationen als auch für CFD-Simulation des Wärmetransports in diesen Flüssigkeiten.

                                     

Bild 1  Geschwindigkeitsmessung                              Bild 2  beheizter Stab im zylindrischen Rohr
           im Stabbündel

Diplomarbeit

Ziel dieser Diplomarbeit ist eine durchdringende Analyse und Bewertung bereits vorhandener experimenteller Daten und Korrelationen für die zwangskonvektive turbulente Flüssigmetallströmung in Ringspalten und Kanälen. Zwingend dafür sind das Verständnis und die Bewertung verschiedener Modelle, die für die turbulente Prandtl-Zahl entwickelt worden sind und der Korrelationen, die dafür benötigt werden.

  • Folgende Aufgaben sind geplant: Literaturrecherche
  • Analyse, Darstellung und Bewertung der vorhandenen Daten und Nu-Korrelationen für beide Geometrien
  • Analyse, Darstellung und Bewertung der verschiedenen Modelle und Korrelationen für Prt
  • Empfehlung einer Nu-Korrelation die am besten zu den Daten passt und eventueller Entwurf einer neuen Korrelation als „best fit“ der Daten
  • Analyse der Ergebnisse und Empfehlungen für weiterführende Arbeiten

Bild 3  Versuchsstrecke


Ansprechpartner:

Dr. Luca Marocco und Dr. Julio Pacio