Das Projekt "Teilprojekt: Verhalten der Dampfphase beim Strömungssieden im Bereich der kritischen Wärmestromdichte" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Institut für Energietechnik, Lehrstuhl für Thermodynamik durchgeführt. Der übergeordnete Verbund verfolgt das Ziel, die Vorhersage der kritischen Wärmestromdichte mit CFD-Methoden zu verbessern. In diesem Zusammenhang besteht das erste Ziel des Vorhabens in der Aufklärung der Relevanz instationärer Effekte für das Auftreten der Siedekrise und ggfls. deren Modellierung in einer für stationäre CFD-Berechnungen kompatiblen Weise. Das zweite Teilziel ist, die bisher üblichen, das Berechnungsergebnis präjudizierten Annahmen durch besser fundierte Vorstellungen zu ersetzen. Im experimentellen Teil des Arbeitsprogramms ist eine bestehende Versuchsanlage auf die neuen Fragestellungen anzupassen und zu erweitern. In der ersten Phase ist das Verhalten der Dampfphase sowie die Geschwindigkeitsfelder im quadratischen Kanal mit wandbündigem Heizer sind zu erfassen und zu analysieren. Danach wird das Verhalten der Dampfphase im Kanal mit Einzelstab untersucht und es werden für die Konfiguration die kritischen Wärmestromdichten gemessen. Die numerischen Untersuchungen beginnen mit der Untersuchung der Instabilität der Phasengrenzfläche. Danach wird das Modell zuerst um Verdampfung und Kondensation und dann um den variablem Dampfgehalt erweitert, um schließlich die periodischen Strukturen in der Nähe der Siedekriese auch numerisch zu studieren. Im Verbund soll ein mechanistisches Siedemodells entwickelt werden, das auf der Basis der experimentell und numerisch gewonnenen Erkenntnisse im Verlauf des Vorhabens verbessert wird.
Das Projekt "Teilprojekt: Entwicklung von CFD-Modellen zur Berechnung der kritischen Wärmestromdichte mit dem Euler/Euler-Ansatz" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik, AREVA-Stiftungsprofessur für Bildgebende Messverfahren für die Energie- und Verfahrenstechnik durchgeführt. Für die Reaktorsicherheitsforschung ist die präzise Vorhersage des Auftretens bzw. der Vermeidung der Siedekrise von höchster Relevanz. Da die übliche CHF-Berechnung mittels Systemcodes völlig auf nicht allgemein gültigen Korrelationen beruht, wäre es ein großer Gewinn, wenn dies mit CFD-Methoden gelänge. Daher sollen im Rahmen dieses Verbundvorhabens CFD-Modelle für Siedevorgänge entwickelt und mit Hilfe der Implementierung in einen Code verifiziert und validiert werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden, an dem sich die physikalischen Verhältnisse in Bezug auf die Wärmeübertragung grundlegend ändern. Als Anwendungen werden Siedevorgänge im Brennelementbündel betrachtet, da die unter bestimmten Störfallbedingungen eintretende Siedekrise für die Reaktorsicherheitsforschung relevanteste Situation darstellt. Speziell im Rahmen dieses Teilvorhabens soll ein verbessertes mechanistisches Wandsiedemodell erarbeitet und das GENTOP-Konzept im Rahmen der Euler/Euler-Strömungsberechnung für die Zweiphasenströmung im Unterkanal weiterentwickelt werden. Durch hochauflösend instrumentierte Einzelexperimente erfolgt eine experimentelle Validierung. Die Zielstellung des avisierten Vorhabens besteht in der Entwicklung von verbesserten CFD-Berechnungsmethoden für Strömungssieden bis zum CHF. Dies wird im Teilvorhaben durch folgende Arbeitsschritte erreicht: Modellierung: 1) numerische Modellierung der lokalen Dampfüberhitzung, 2) Erweiterung des Wandsiedemodells in Richtung kritischer Wärmestrom, 3) Modellierung von Blasenkoaleszenz und Blasenfragmentation, 4) Modellierung des Übergangs zur Großblasenbildung mittels GENTOP-Ansatz, 5) Modellvalidierung. Experiment: 1) Erweiterung einer Kältemittelversuchsanlage für CHF-Studien, 2) Weiterentwicklung der Messtechnik, 3) Experimentelle Studien mit Kältemittel, 4) Aufbau eines Wasser/Dampf-Versuchs, 5) Durchführung von Vergleichsexperimenten mit Wasser/Dampf.
Das Projekt "Teilprojekt: Experimentelle Ermittlung von kritischen Wärmestromdichten bei reaktortypischen Bedingungen als Validierungsdaten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Thermische Verfahrenstechnik (TVT) durchgeführt. Das aus Anwendersicht relevante Ergebnis der Arbeiten ist ein Berechnungsverfahren auf der Basis von ANSYS-CFD für den ganzen technisch interessanten Bereich von der reinen konvektiven Wärmeübertragung, über das Blasensieden bis zur Siedekrise (CHF). Im Rahmen des Teilvorhabens untersucht KIT-U die Siedevorgänge und den Wärmeübergang am Hüllrohr unter reaktortypischen Bedingungen. Komplementär zu den Arbeitspaketen von TU-M und TU-D sollen hierdurch CHF-Daten für das Medium Wasser unter nicht skalierten, d.h. für die reale Anwendung relevanten Drücken, Temperaturen und Heizflächenbelastungen zur Überprüfung der CFD-Ergebnisse gewonnen werden. Im ersten Jahr des Vorhabens wird ein Detailkonzept der Teststrecke und der Instrumentierung erstellt und mit den anderen Projektpartnern abgestimmt. Basierend auf dieser Abstimmung wird dann die endgültige Geometrie der Messstrecke festgelegt. Im Zweiten Jahr wird die Messstrecke und die Sensorik hergestellt. In Zusammenarbeit mit TU-M sollen die bei TU-M bereits erprobten faseroptischen Sensoren zur zeitaufgelösten Messung des lokalen Dampfgehalts für die Verwendung in der Hochdruckanlage weiterentwickelt werden. Im dritten Jahr des Vorhabens werden Validierungsexperimente an zwei verschiedenen Rohrtypen durchgeführt und in eine Datenbank eingebracht.
Das Projekt "AG Turbo-COOREFLEX Vorhaben Nr. 3.4.1B: Gesteigerte Vorhersagegenauigkeit des Wärmeübergangs und der Kühleffektivität" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt durchgeführt. 1) Dieses Vorhaben ist Teil des Verbundprojektes AG Turbo-COOREFLEX-turbo mit den Zielen, durch Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads von Gasturbinen die energetische Gesamteffizienz für die Stromerzeugung zu steigern und dabei gleichzeitig die Emissionen zu reduzieren. Jede Effizienzsteigerung der energiewandelnden Anlage bewirkt direkt auch eine Minderung des spezifischen CO2-Ausstoßes, wie in der Gesamtzielbeschreibung dargestellt ist. 2) Das Vorhaben richtet sich auf die Steigerung der Vorhersagegenauigkeit numerischer Simulationsmodelle zur genaueren Berechnung der komplexen Strömungs- und Wärmeübergangsprozesse in Gasturbinenschaufeln. Um den Detaillierungsgrad der CFD Analysen in Bezug auf die Ermittlung der Strömungsfelder, Temperaturfelder und Wärmeübergänge zu steigern, sollen komplexere Turbulenzmodelle eingesetzt werden. Dies gilt sowohl für die Strömung, für deren Berechnung explizite als auch implizite Reynolds-Spannungs-Modelle eingesetzt werden sollen, als auch für den Wärmetransport, wo neue explizite Skalarflussmodelle untersucht werden sollen. Die verbesserte Voraussagegenauigkeit dient einem effizienteren Einsatz der Kühlluft, um mit einer Reduktion des Kühlluftverbrauchs direkt den thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine zu steigern und dadurch Ressourcen zu sparen und CO2-Emissionen zu verringern. Dabei ermöglicht dieser reduzierte Kühlluftverbrauch auch einen entsprechend höheren Luftanteil in der Brennkammer und damit geringere CO- und NOx-Emissionen.
Das Projekt "Teilprojekt: Entwicklung, Implementierung und Validierung von mathematischen Modellen zur Berechnung der kritischen Wärmestromdichte" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ANSYS Germany GmbH durchgeführt. Das Ziel des Gesamtvorhabens ist die Entwicklung und langfristige Bereitstellung von Software zur Simulation von Siedevorgängen, wie sie in Brennelementbündeln von Kernreaktoren auftreten. Es soll der ganze Bereich von der konvektiven Wärmeübertragung über das Blasensieden bis hin zum Filmsieden (Critical Heat Flux - CHF) betrachtet werden. Der Schwerpunkt der Arbeiten dieses Teilantrags liegt auf der mathematisch-physikalischen Modellierung und der Bereitstellung eines industriell einsetzbaren Rechenverfahrens zur Simulation von CHF-Phänomenen auf Basis von ANSYS CFD. Ausgehend von einem in ANSYS CFD verfügbaren Grundmodell soll von den Projektpartnern im geplanten Verbundvorhaben ein auf mechanistischen Vorstellungen basierendes Modell mit höherer Genauigkeit und Allgemeingültigkeit zur Berechnung von Filmsieden und CHF entwickelt und über die Laufzeit des Projekts verbessert werden. Ein spezielles Ziel des Teilvorhabens von ANSYS Germany ist, die Modelle für gegebene Einsatzbedingungen, Genauigkeitsanforderungen und Rechenkapazitäten (Rechenzeit, Speicherplatz und Datenmengen) numerisch robust und industriell einsetzbar zu implementieren und für sicherheitsrelevante Anwendungen zu verifizieren und zu validieren. Im geplanten Vorhaben werden Modelle zum Einsatz kommen, die auf dem phasengemittelten Euler-Euler-Kontinuumsansatz beruhen. Das Vorhaben umfasst die folgenden Arbeitspakete (siehe ausführliche Beschreibung des Projekts in der Anlage): Entwicklung eines numerischen Verfahrens zur numerischen Auflösung des wandnahen Bereichs in Verbindung mit dem Siedemodell; Verallgemeinerung und Kalibrierung des in ANSYS CFD implementierten Siedemodells; Implementierung und Test des von den Projektpartnern entwickelten mechanistischen Siedemodells in ANSYS CFD; Optimierung des Multiple Size Group-Modells für hohe Dampfgehalte bis zum CHF; Erweiterung des GENTOP-Modells; Vergleich der verschiedenen Ansätze.
Das Projekt "Robustheitsanalyse von Schaufelschwingungen unter besonderer Berücksichtigung von fertigungs- und betriebsbedingten Geometrieabweichungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Strömungsmechanik, Professur für Turbomaschinen und Flugantriebe durchgeführt. Ziel dieses Vorhabens ist es, eine probabilistische strukturmechanische und strukturdynamische Bewertung von realen, gefrästen Verdichterschaufeln gegenüber Toleranzen in der Fertigung zu ermöglichen. Mithilfe probabilistischer Simulationen wird die Robustheit des strukturmechanischen und strukturdynamischen Verhaltens gegenüber den Produktionsstreuungen ermittelt. Weiterhin sollen innerhalb von Sensitivitätsanalysen die einflussreichsten Parameter hinsichtlich hoher Schaufelschwingungsbeanspruchungen identifiziert werden und letztlich zur Verbesserung bestehender Designkriterien beitragen. Zunächst erfolgt eine optische Geometrievermessung der Schaufeln. Die Messergebnisse werden mit Hilfe von geometrischen Parametern analysiert, statistisch ausgewertet und schließlich für die Ableitung eines parametrischen CAD-Modells verarbeitet. Hierauf aufbauend können im Nachgang FE-Modelle aufgebaut und für die Durchführung probabilistischer Simulationen erzwungener Schwingungsantworten in so genannte 'Reduced Order -Modelle (ROM) überführt werden. Die Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Wechselwirkung erfolgt über Einflusskoeffizienten, welche auf der Grundlage gekoppelter FSI-Simulationen abzuleiten und in die reduzierten Modelle zu implementieren sind. Im Fokus stehen die Berücksichtigung geometrischer Imperfektionen und ihres Einflusses auf Schaufeleigenfrequenzen und -formen, modeindividueller aerodynamischer Dämpfungen einschließlich höherer Moden und aerodynamischer Erregerkräfte.
Das Projekt "Robustheitsanalyse von Schaufelschwingungen unter besonderer Berücksichtigung von fertigungs- und betriebsbedingten Geometrieabweichungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Cottbus-Senftenberg, Institut für Verkehrstechnik, Lehrstuhl Strukturmechanik und Fahrzeugschwingungen durchgeführt. Ziel dieses Vorhabens ist es, eine probabilistische strukturmechanische und strukturdynamische Bewertung von realen, gefrästen Verdichterschaufeln gegenüber Toleranzen in der Fertigung zu ermöglichen. Mithilfe probabilistischer Simulationen wird die Robustheit des strukturmechanischen und strukturdynamischen Verhaltens gegenüber den Produktionsstreuungen ermittelt. Weiterhin sollen innerhalb von Sensitivitätsanalysen die einflussreichsten Parameter hinsichtlich hoher Schaufelschwingungsbeanspruchungen identifiziert werden und letztlich zur Verbesserung bestehender Designkriterien beitragen. Zunächst erfolgt eine optische Geometrievermessung der Schaufeln. Die Messergebnisse werden mit Hilfe von geometrischen Parametern analysiert, statistisch ausgewertet und schließlich für die Ableitung eines parametrischen CAD-Modells verarbeitet. Hierauf aufbauend können im Nachgang FEM-Modelle aufgebaut und für die Durchführung probabilistischer Simulationen erzwungener Schwingungsantworten in so genannte 'Reduced Order -Modelle (ROM) überführt werden. Die Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Wechselwirkung erfolgt über Einflusskoeffizienten, welche auf der Grundlage gekoppelter FSI-Simulationen abzuleiten und in die reduzierten Modelle zu implementieren sind. Im Fokus stehen die Berücksichtigung geometrischer Imperfektionen und ihres Einflusses auf Schaufeleigenfrequenzen und -formen, modeindividueller aerodynamischer Dämpfungen einschließlich höherer Moden und aerodynamischer Erregerkräfte.
Das Projekt "Entwicklung und Validierung von Rechenmethoden zur Simulation von 2-Phasenströmungen und kritischen Wärmeströmen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH durchgeführt. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Weiterentwicklung und Validierung von Modellen der 2-Phasenströmung sowie von Modellen des Blasensiedens und des Filmsiedens im CFD-Code OpenFOAM. Diese Arbeiten stellen eine Ausweitung der derzeit laufenden Arbeiten in dem Vorhaben RS1506 dar. Zusätzlich sollen die vorhandenen Korrelationen im Systemcode ATHLET zur Berechnung des kritischen Wärmestroms anhand von neuen Experimenten überprüft und gegebenenfalls verbessert werden. Das Gesamtziel umfasst somit die folgenden Eckpunkte: Validierung und Verbesserung der Korrelationen zur Berechnung des kritischen Wärmestroms im Systemcode ATHLET, Implementierung und Validierung von Modellen zum Wandsieden und zur 2-Phasenströmung im CFD-Code OpenFOAM, Mitarbeit bei der Entwicklung eines neuen CFD-tauglichen Modells für das Filmsieden, Implementierung und Analyse des neuen Modells im CFD-Code OpenFOAM. Das Vorhaben soll in enger Zusammenarbeit mit dem BMWi-Verbundvorhaben 'CFD-Methoden zur Berechnung der kritischen Wärmestromdichte' ablaufen. Der Arbeitsplan orientiert sich stark an dem im Rahmentext vorgegebenen zeitlichen Ablauf des Verbundprojektes. Die erste Stufe der Arbeiten zu CFD beinhaltet die Ertüchtigung des CFD-Codes OpenFOAM für die Simulation des Wandsiedens im 2-Phasenbereich. Aufbauend auf diesen Modellen erfolgt anschließend der Einbau und die Validierung des mechanistischen Siedemodells. Die geplanten Arbeiten zum Systemcode ATHLET finden parallel zu den Arbeiten an OpenFOAM statt. Hier werden direkt neue Korrelationen für die Berechnung des kritischen Wärmestroms implementiert und getestet. Die Verbindung zum Verbundprojekt ergibt durch die vergleichenden Rechnungen der im Verbund durchzuführenden Experimente.
Das Projekt "Teilvorhaben 1.1.2 Aerodynamische und strukturmechanische Optimierung der Randbereiche subsonischer Verdichterbeschaufelungen unter Berücksichtigung der Schaufelinteraktion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Siemens AG durchgeführt. Ziel des Projektes ist eine Verbesserung der Strömung im Randbereich der Beschaufelung eines Axialverdichters. Im Rahmen des Projektes soll mittels numerischer Simulationen die Geometrie der Schaufelrandschnitte sowie der Kanalkontur derart optimiert werden, dass Anforderungen hinsichtlich Effizienz und Arbeitsbereich bestmöglich erfüllt werden. Basierend auf den wertvollen Erkenntnissen des COORETEC-turbo Projektes 1.2.1 sollen im Rahmen dieses Projektes die Untersuchungen wesentlich erweitert werden. Insbesondere sollen nun auch die Nabenschnitte der Rotorbeschaufelung sowie die Statorgeometrie mit in die Optimierung einbezogen werden. Zudem ist eine wesentlich stärkere Berücksichtigung des Off-Designverhaltens bei der Optimierung vorgesehen. Im ersten Arbeitspaket soll eine Anpassung und vollständige Validierung des CFD-Modells hinsichtlich der Anforderungen einer automatischen Optimierung durchgeführt werden. Daran anschließend wird anhand eines einfachen Testfalls die Optimierungskette geprüft. Im folgenden Arbeitspaket erfolgt die Optimierung einer hinteren Verdichterstufe bei Design-Punkt Randbedingungen. Im vierten Arbeitspaket wird eine 'Multipoint-Multidisziplin-Mehrstufen-Optimierung' durchgeführt. Damit wird neben der Verbesserung des Wirkungsgrades im Design-Punkt die Stabilität mit in die Optimierung einbezogen. Abschließend werden Designregeln erarbeitet, die eine Übertragung der Modifikationen auf ähnliche Konfigurationen ermöglicht.
Das Projekt "KEK - Wandkondensation in CFD-Umgebung im LWR-Sicherheitsbehälter" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik durchgeführt. Kondensationsvorgänge im Sicherheitsbehälter haben in unterstellten Störfallszenarien mit Wasserstofffreisetzung einen wesentlichen Einfluss auf die physikalischen Prozesse. Für die Entwicklung verbesserter CFD-Modelle zur Simulation der Wandkondensation ist eine experimentelle Datenbasis mit hochaufgelösten Messdatenfeldern erforderlich. Integral- und Einzeleffektexperimente zur Wandkondensation sind zwar international verfügbar, für die speziellen Anforderungen zur Entwicklung und grundlegenden Überprüfung eines CFD-Modells allerdings nicht geeignet. Ziel ist daher, in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich ein speziell auf die Bedürfnisse der CFD-Modellentwicklung angepasstes Experiment für die Grundlagenforschung zur Wandkondensation und der damit verbundenen Phänomene aufzubauen. Für die wissenschaftliche Leitung von Planung, Aufbau und Inbetriebnahme der Versuchsanlage soll ein Doktorand über die KEK-Initiative eingestellt werden. Das Arbeitsprogramm ist in die Schwerpunkte - AP1: Experiment zur Wandkondensation- AP2: Kleinexperiment zur Qualifizierung der Messtechnik- AP3: Auswertung der Datenbasis unterteilt. Die Errichtung beider Versuchsanlagen erfolgt ausschließlich über Eigenmittel des Forschungszentrums Jülich und des LRST.
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| Förderprogramm | 15 |
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| offen | 15 |
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