Modellierung von beheizten laminaren und turbulenten Strömungen in Kanälen beliebigen Querschnitts

Specht, Bodo

Auf Basis der Methode der finiten Elemente wurde ein numerisches Verfahren zur Berechnung beheizter Strömungen entwickelt, dessen Leistungsfähigkeit und Genauigkeit anhand der Berechnung laminarer und turbulenter Strömungsfälle nachgewiesen wurde. Durch die Wahl der Methode der finiten Elemente und die neu entwickelte lokale partielle Parabolisierung sind auch extrem langgestreckte Volumenelemente problemlos handhabbar. Neue konsistenzerhaltende Diskretisierungen der Transportgleichungen der Turbulenzgrößen tragen zur Stabilität und Effizienz des Verfahrens bei. Die neuartige Behandlung des wandnahen Bereichs schafft zusammen mit unterschiedlichen Stoffwertmodellen die Voraussetzung der Anwendbarkeit des Berechnungsverfahrens auch auf stark beheizte Strömungen. Der technisch interessante Fall rauher Wände findet durch eine Erweiterung der low-Re-k-epsilon-Modellierung Berücksichtigung. Mit Hilfe eines allgemeinen nichtlinearen Ansatzes des Reynoldsschen Spannungstensors in Form eines expliziten algebraischen Reynoldsspannungsmodells konnten in Verbindung mit der neuen Behandlung des wandnahen Bereichs die zur Validierung herangezogenen experimentellen Daten im Rahmen der Meßgenauigkeit vorhergesagt werden. Die eingesetzten Modelle ermöglichen zusammen mit dem neuen numerischen Verfahren die präzise Vorhersage des Wärmeübergangs in längsangeströmten Stabbündeln sowie allgemein in laminar sowie turbulent durchströmten Kanälen beliebigen Querschnitts.

Based on the finite element method a CFD code has been designed. Its efficiency and accuracy has been proved on heated laminar and turbulent flows. Extremely small aspect ratios of volume elements do not lead to numerical problems since the finite element method is used in combination with a new local partial parabolization method, developed in this project. Stability and efficiency have been improved by modified discretization schemes of the transport equations for the turbulence intensity and length scale. The new discretization schemes developed in this work are fully consistent. Realistic flow fields with high heat fluxes at walls can be predicted, since a new treatment of the near wall region and efficient methods for the calculation of real material properties for different fluids have been developed. Rough walls are of technical interest and are treated using a new extension of low-Re k-epsilon-models. Using an universal nonlinear explicit algebraic Reynolds stress model in combination with the new treatment of the near wall region, experimental results for the flow cases used for validation are predicted within the experimental error bounds. The combination of models implemented in the new code makes it possible to precisely predict flow fields and local heat transfer for single-phase fluid flow over rod bundles and generally for laminar and turbulent flow in ducts of arbitrary cross-section.

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Specht, Bodo: Modellierung von beheizten laminaren und turbulenten Strömungen in Kanälen beliebigen Querschnitts. 2000.

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