Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6600

Validation of turbulence models in the computer code FLUTAN for a free hot sodium jet in different buoyancy flow regimes

L. N. Carteciano, G. Grötzbach

Abstract
The large diffusivity for heat and the small one for momentum in general hinder to use the Reynolds analogy to model turbulent heat transfer in liquid metal flows. Nevertheless, most code applications for technical flows are using a turbulent Prandtl number concept for calculating the turbulent heat transfer for any fluid. More adequate for fluids with strongly different diffusivities is to use a full second order modeling. Here, we apply the Turbulence Model For Buoyant Flows (TMBF) and a standard k-e-st model to recalculate the TEFLU experiments with a free hot sodium jet in several buoyancy regimes. The TMBF is a combination of a standard k-e model for the turbulent momentum transfer and a full second order modeling for the turbulent heat fluxes. The numerical results show that the k-e-st model requires flow dependent local adaptations of the turbulent Prandtl number st for accurate predictions of temperature distributions. In contrast, the TMBF, which has special model extensions for liquid metal flows, achieves widely acceptable results. Possibilities for required further model improvements are discussed.

Validierung der Turbulenzmodelle im Rechenprogramm FLUTAN für einen heißen Natriumfreistrahl bei unterschiedlichen Auftriebsbedingungen

Zusammenfassung
Die Reynolds-Analogie zwischen dem turbulenten Wärme- und dem Impulstransport kann nicht für die Modellierung des turbulenten Wärmetransports in Strömungen mit flüssigen Metallen verwendet werden, da die Diffusivität der Wärme viel größer als die des Impulses ist, und da deshalb auch die turbulenten Geschwindigkeitsfluktuationen und Temperaturfluktuationen nicht ähnlich sind. Trotzdem benutzen die meisten thermohydraulischen Rechenprogramme das Konzept der turbulenten Prandtl-Zahl zur Berechnung des turbulenten Wärmetransports für beliebige Fluide. Bei Fluiden mit stark unterschiedlichen Diffusivitäten sind die Turbulenzmodelle zweiter Ordnung, wie z. B. das im Rechenprogramm FLUTAN implementierte Turbulenzmodell für Auftriebsströmungen (TMBF), geeigneter. Das TMBF ist eine Kombination eines Modells erster Ordnung, nämlich des k-e Modells, für den turbulenten Impulstransport und eines Modells zweiter Ordnung mit fünf Gleichungen für den turbulenten Wärmetransport. Im Rahmen der Validierung von Turbulenzmodellen für flüssige Metalle werden das TMBF and das k-e-st Modell angewendet. Dazu werden die TEFLU-Experimente mit einem beheizten turbulenten Freistrahl in Natrium mit unterschiedlich starken Auftriebseinflüssen nachgerechnet. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass das k-e-st Modell von der Strömung abhängige lokale Anpassungen der turbulenten Prandtl Zahl braucht, um die Temperaturfelder richtig zu berechnen. Dagegen erreicht das TMBF, das eine Modellerweiterung für flüssige Metalle besitzt, überwiegend gute Ergebnisse. Möglichkeiten für weitere notwendige Modellverbesserungen werden diskutiert.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK