Nächste Schritte für hochgenaue numerische Simulationen des turbulenten Wärmeübergangs in Flüssigmetallen: Zwangs- und Mischkonvektion mit ungleichmäßigem Wärmestrom, konjugierter Wärmeübertragung und temperaturabhängigen thermophysikalischen Eigenschaften

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Bettina Frohnapfel
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462658330

Flüssigmetalle (FM) sind vielversprechende Wärmeübertragungsfluide für Anwendungen, in denen hohe Wärmeflussdichten bei mittleren bis hohen Temperaturen auftreten. Der zugrunde liegenden Wärmeübertragungsmechanismus ist dabei stark durch die hohe thermische Leitfähigkeit der FM geprägt und damit substantiell anders als in Luft oder Wasser. Obwohl der Einsatz von FM als Wärmeübertragungsfluide interessante Potentiale zur Effizienzsteigerung bietet, fehlen bisher hochwertige Daten, die die turbulente Wärmeübertragung in FM beschreiben. Um das Verständnis für die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen zu verbessern, wird eine umfassende numerische Analyse vorgeschlagen. Aufbauend auf Voruntersuchungen zu inhomogenen thermischen Randbedingungen bei erzwungener Konvektion, werden der Einfluss von Auftriebseffekten (Mischkonvektion), Wärmeleitung im Festkörper (konjugierte Wärmeübertragung) und der Temperaturabhängigkeit der thermo-physikalischen Eigenschaften untersucht.Die Simulationen werden mit dem hochgradig parallelisierten Open Source Code Nek 5000 durchgeführt. Dieser Code wurde in den Vorarbeiten für den vorliegenden Fall umfangreich getestet und validiert. Es werden FM zwei verschiedener Prandtl-Zahlen untersucht, die ein Blei-Wismuth-Eutektikum bzw. Natrium repräsentieren. Der Parameterraum umfasst verschiedene Zustände der Hydrodynamik und der Mischkonvektion. Die hochaufgelösten neuartigen Daten erlauben die Analyse auf welche Art und Weise die untersuchten Phänomene die Wärmeübertrag in FM beeinflussen. Sie stellen eine essentielle Datengrundlage für die Bewertung, Kalibrierung und Weiterentwicklung von Modellen für den turbulenten Wärmeübergang in FM dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Thomas Wetzel