Coarse Grid CFD

Themenbereichsbeschreibung: Coarse-Grid-CFD

Coarse-Grid-CFD ist eine neue, innovative CFD (Computational Fluid Mechanics) Methode zur Strömungssimulation von sehr aufwändigen und umfangreichen Geometrien, die sich trotz stetig steigernder Rechenleistung nicht in akzeptablen Zeitrahmen mit Standard CFD Lösern sowie den dazugehörigen Rechennetzen simulieren lassen.

So ist es beispielsweise auch in absehbarer Zukunft nicht möglich eine CFD Simulation eines kompletten Reaktorkerns durchzuführen. Dies ist zurückzuführen auf den Umfang der aufzulösenden Längenskalen, die von Grenzschichtabmessungen, über geometrische Abmessungen von Abstandshaltern und Unterkanälen bis zu den Abmessungen des Reaktordruckbehälters reichen. Bisher wurden für solche Simulationen sogenannte Unterkanalanalysen durchgeführt, welche auf vereinfachten eindimensionalen Erhaltungsgleichungen basieren, die über semi-empirische Korrelationen geschlossen werden müssen und jeweils geometrieabhängige Modellkonstanten benötigen.

Die Coarse-Grid-CFD Methode ist eine neuartige vielversprechende Alternative zu den herkömmlichen Unterkanalanalysen.

^{Abbildung 1: Vorgehen bei der Coarse-Grid-CFD}

Sie basiert auf einer sehr groben Diskretisierung des Rechenraumes und den reibungsfreien Eulergleichungen. Nicht aufgelöste physikalische Phänomene wie Turbulenz oder Reibung innerhalb des Fluides werden durch Subgrid-Volumenkräfte berücksichtigt. Diese lassen sich aus einem repräsentativen Teilausschnitt der gewünschten Geometrie, der fein diskretisiert und im klassischen Sinne als CFD Simulation berechnet wird, bestimmen. Dadurch ist es möglich aufwändige Geometrien wie beispielsweise einen kompletten Reaktorkern mit aktueller Strömungssimulationssoftware zu simulieren. In der Abbildung 2 ist die Coarse-Grid-CFD anhand eines 2D Carnot Diffusors zu sehen, der als Validierungsfall für die Methode diente.

$G:\Carnot_Coarse_Gitter.png$		$G:\Carnot_genau.png$
^{Abbildung 2: a) Detaillierte CFD eines Carnot-Diffusors}		^{b) Coarse-Grid-CFD des Carnot-Diffusors}

Referenzen:

Himmel, Steffen Roman: Modellierung des Strömungsverhaltens in einem
HPLWR-Brennelement mit Drahtwendelabstandshaltern. Doktorarbeit
Institut für Kern- und Energietechnik (KIT), 2009