Zusammenfassung
Die thermomechanische Analyse fluidgekühlter Strukturen benötigt als wesentliche Randbedingung lokale Temperaturen des Kühlmittels. Das gilt besonders für transiente Analysen von Fusionsreaktorblankets, die in leistungszyklierten Reaktoren starken radialen und zeitlichen Leistungsgradienten ausgesetzt sind und hohe thermische Belastungen erfahren. Dieser Bericht befaßt sich mit der thermohydraulischen Modellierung, die zwar integraler Bestandteil der strukturmechanischen Untersuchungen ist, aber wegen unterschiedlicher Anforderungen an FE-Code und Netzdiskretisierung separat behandelt wird.
Im Bericht wird eine vereinfachte thermische Modellierung des Fluides dargestellt, die - wegen des Verzichtes auf die Lösung der Momentengleichungen - auch bei ausgedehnten und verzweigten Kühlkanälen mit akzeptablem Aufwand zu bewältigen ist. Die Umsetzung des Modelles in den Finite-Element-Codes FIDAP und ABAQUS wird beschrieben; aus dem Vergleich dieser Codes werden Vorteile einer thermohydraulischen Modellierung mit FIDAP abgeleitet, unter dem Hinweis, daß eine CAD-gestützte vereinheitlichte Netzerzeugung wünschenswert wäre.
Anhand zweier Beispiele wird die Methodik der thermohydraulischen Analyse demonstriert. Dazu zählt die Ausnutzung von Symmetriebedingungen bei der Modellierung eines repräsentativen Blanketausschnittes und die Zerlegung in Untermodelle, Modellvereinfachungen zur Reduzierung des Modellierungsaufwandes und das Einbringen thermohydraulischer Ergebnisse als Randbedingungen in der strukturmechanischen Analyse.
Im Anhang wird ein Computerprogramm beschrieben, das zur automatisierten Erzeugung dreidimensionaler Modelle in FIDAP durch sukzessive Rotation und Translation erstellt worden ist.
Solving thermal-hydraulic tasks in the context of structure-mechanical analyses
Abstract
The thermomechanical analysis of fluid-cooled structures depends critically on local coolant temperatures. This is particularly true for transient analyses of fusion reactor blankets that are exposed to large radial and temporal power gradients in power cycling reactors and see large thermal-mechanical loads. This report is concerned with the issue of thermal-hydraulic modelling and analysis that is an integral part of structure-mechanical analyses yet has to be treated separately because of differing needs regarding the finite element code and structure discretisation.
The report presents a simplified thermal no-momentum fluid model that poses acceptable cost even for extended and branched cooling systems. The implementation of this model in the finite element codes FIDAP and ABAQUS is described. A comparison of the codes finds advantages for thermal-hydraulic modelling in FIDAP, stressing however, that unified computer-aided-design-based grid generation would be desirable.
Two examples serve the purpose of demonstrating the methodology of the thermal-hydraulic analysis. Key parts of this methodology are the use of symmetry conditions when modelling a representative blanket section, the partitioning into submodels, the simplification of geometrical model features and the feeding thermal-hydraulic results into the structure-mechanic analysis.