Eindimensionale Berechnung instationärer Ringspaltströmungen mit thermofluiddynamischer Betrachtung

Von:

Enrico Gaspare Pasquini

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In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, welches die Berechnung von instationären Strömungen durch konzentrische Ringspalte im Rahmen einer eindimensionalen Systemsimulation ermöglicht. Das Rechenmodell zeichnet sich dadurch aus, dass trotz des eindimensionalen Ansatzes auch bei stark instationären Strömungen Berechnungsergebnisse von vergleichbarer Qualität wie bei einer mehrdimensionalen Strömungssimulation erzielt werden können. Die hohe Ergebnisgüte wird erreicht, indem das von ZIELKE für die Kreisrohrströmung entwickelte Berechnungsverfahren zur Berücksichtigung von instationären Druckverlusten auf die Strömungsverhältnisse im Ringspalt übertragen wird. Zur ressourcensparenden Auswertung der zur Berechnung des Druckverlusts benötigten Faltungsintegrale kommt das von TRIKHA entwickelte und durch SCHOHL verbesserte Rekursionsverfahren zum Einsatz. Das vorgestellte Rechenmodell bietet durch Berücksichtigung der Energiegleichung darüber hinaus die Möglichkeit, auch thermofluiddynamische Effekte bei der Leitungssimulation abzubilden. Dabei wird neben dem Wärmeübergang zwischen Fluid und Rohr- oder Zylinderwand auch die reibungsbedingte Erwärmung erfasst, sodass mit dem Rechenmodell z. B. temperaturbedingte Änderungen der Viskosität und damit des Durchflusswiderstands analysiert werden können. Zur numerischen Lösung des entwickelten Differentialgleichungssystems wird im Zeitbereich auf die bewährte Kombination aus dem Charakteristikenverfahren und einem Finite-Differenzen-Schema zurückgegriffen. Die Validierung des in die Simulationsumgebung DSHplus® implementierten Rechenverfahrens erfolgt durch Gegenüberstellung mit experimentellen Befunden und CFD-Simulationsergebnissen.