Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5799
Kurzfassung
Die Auslegung längs angeströmter Stabbündel kann durch numerische Simulation der Strömung erheblich gegenüber den heute üblichen Methoden verbessert werden. Zur Entwicklung neuer Turbulenzmodelle und zur Verifizierung bereits bestehender Rechenprogramme werden empirische Informationen benötigt, die den turbulenten Wärme- und Impulstransport in diesen Geometrien beschreiben.
Während für den turbulenten Impulsaustausch in Stabbündeln zahlreiche Meßwerte vorliegen, gibt es nur wenige Ergebnisse über den turbulenten Austausch von Wärme. Die fehlenden Informationen wurden im Rahmen dieser Arbeit an einem beheizten 37-Stabbündel gewonnen.
Die Differentialgleichungen zur Beschreibung der thermo- und fluiddynamischen Eigenschaften der Strömung werden dargestellt. Die auf empirischem Wege zu bestimmenden Größen leiten sich daraus unmittelbar ab.
Mit Hilfe der Hitzdraht-Meßtechnik werden die Momentanwerte aller Komponenten des Geschwindigkeitsvektors und der Temperatur bestimmt. Alle aus diesen Momentanwerten berechneten Turbulenzgrößen werden für Zentral- und Wandkanäle bei zwei Stab- und Wandabstandsverhältnissen dargestellt. Die Unterschiede zwischen den Strömungsformen bei Variation der Gitterweite werden aufgezeigt und mit den Ergebnissen im Kreisrohr verglichen.
Zur Charakterisierung der großskaligen Strömungs- und Temperaturpulsationen zwischen den Unterkanälen dienen umfangreiche Frequenzanalysen. Diese Analysen belegen eindeutig die Existenz einer energetischen kohärenten Struktur. Zeitgleiche spektrale Messungen mit Hilfe von zwei Hitzdraht-Sonden zeigen eine sehr große Ähnlichkeit der Wirbelbewegung in verschiedenen Unterkanälen des Bündels.
Experimental investigation of turbulent transport of momentum and energy in a heated rod bundle
Abstract
The design of rod bundles is substantially improved by numerical simulation of the axial flow. The development of advanced turbulence models and the verification of existing computer codes need empirical information on turbulent transport properties of momentum and energy.
A large number of experiments has been performed in various rod bundle geometries with iso-thermal flow. In contrast to this, the turbulent transport of energy has rarely been investigated in the past. The aim of the present work is to determine the turbulent properties of heated flow through a 37-rod bundle with triangular array.
The fundamental differential equations describing turbulent flows are presented. The quantities to be determined experimentally are derived.
All components of the instantaneous velocity and temperature are measured by hot wire anemometry. The computed turbulent quantities are presented for central and wall subchannels with two different pitch-to-diameter and wall-to-diameter ratios. It is shown that with decrea-sing gap width there is a significant deviation of the turbulence field from pipe flow.
Detailed frequency analyses are performed for further characterisation of the large scale flow and temperature pulsations. These observations confirm the existence of an energetic coherent structure between adjacent subchannels. Spectral measurements with two hot wire probes imply a distinct similarity of motion of vortices in different subchannels of the bundle.