CFD-Code FLUTAN

Grundlagen:
FLUTAN ist ein hochvektorisierter Computercode für stationäre und instationäre 3d-fluiddynamische und thermohydraulische Analysen in kartesischen oder Zylinderkoordinaten. Er wurde entwickelt, um einphasige Strömungen mit geringer Kompressibilität zu simulieren. Es werden die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls, Energie, Schadstoffkonzentration und Turbulenzgrößen gelöst. Materialeigenschaftsbibliotheken sind für die Fluide Wasser, Luft, Natrium, Blei und Blei-Wismut verfügbar.

Numerik:
Die Gleichungen werden auf einem strukturierten Gitter durch eine Finite-Volumen-Methode diskretisiert. Für die Geschwindigkeiten wird ein gestaffeltes Gitter verwendet. Die Diskretisierung der Diffusionsterme erfolgt durch ein zentrales Differenzschema. Für die konvektiven Terme kann ein Aufwindmethoden erster Ordnung oder eine von zwei Aufwindmethoden zweiter Ordnung (QUICK und LECUSSO) gewählt werden. Für die Druckberechnung mit dem ICE-Verfahren stehen mehrere Poisson-Solver zur Verfügung, z. B. der CRESOR-Solver. Für die Zeitdiskretisierung wird eine implizite Euler-Methode erster Ordnung verwendet.

Die neu entwickelten und implementierten numerischen Funktionen erzielen eine größere Effizienz und eine verbesserte Genauigkeit: Eine davon ist eine explizit behandelte  statische lokale Gitterverfeinerungsmethode für das kartesische Gitter. Das andere ist eine neue Methode zur Verwendung von körperangepassten Koordinaten in einem Code, der auf einem gestaffelten Gittern basiert: Die Erhaltungsgleichungen werden vom kartesischen in ein allgemeines krummliniges System transformiert, wobei die physikalischen kartesischen Geschwindigkeitskomponenten als abhängige Variablen beibehalten und durch die Definition von drei kartesische Geschwindigkeitskomponenten auf jeder Zelloberfläche.

 

FLUTAN
Berechnetes momentanes Temperaturfeld an den Oberflächen eines Sumpfkühlungsexperiments. Blick von unten auf den Flüssigkeitsbereich.Die blauen Bereiche stellen die kühleren Oberflächentemperaturen dar, die unregelmäßige rote und gelbe Fläche die Temperaturverteilung auf der Heizplatte. (Groetzbach et al. 2001)

Physikalische Modelle:
In FLUTAN sind mehrere Turbulenzmodelle verfügbar, die auf Transportgleichungen für einige Turbulenzgrößen beruhen. Das wichtigste ist das Turbulenzmodell für schwimmende Strömungen (TMBF), das aus einem k-eps-Modell erster Ordnung in einer Formulierung mit niedriger Reynoldszahl und einem turbulenten Wärmestrommodell zweiter Ordnung mit fünf Gleichungen besteht. Das TMBF enthält eine Reihe von Modellen, die für Anwendungen mit variabler Prandtl-Zahl auf der Grundlage unserer Ergebnisse der direkten numerischen Simulation mit dem TURBIT-Code entwickelt wurden. In mehreren Benchmarks hat sich gezeigt, dass das TMBF in seinem derzeitigen Entwicklungsstand ein leistungsfähiges Werkzeug zumindest für erzwungene und gemischte Konvektion auch für Flüssigmetallströmungen ist. Die Modellentwicklungsaktivitäten konzentrieren sich darauf, einen breiteren Anwendungsbereich für die anspruchsvolleren Turbulenzmodelle zu erreichen.
Die Anwendung eines Konzepts poröser Körper mit netzzellenabhängigen Porositäten und richtungsabhängigen Oberflächendurchlässigkeiten erlaubt es, interne Strukturen mit Skalen unterhalb der Gitterbreiten effektiv zu modellieren und interne und externe Wände an den Zelloberflächen zu imitieren.
Spezielle thermische Randbedingungen wie ein Wärmetauschermodell, ein 1d-Wandmodell und ein Modell für die Wärmestrahlung von Festkörperoberflächen sind verfügbar. Ein 3d-Wärmeleitungsmodell für feste Strukturen wurde entwickelt, um deren internen ungleichmäßigen Wärmetransport zu simulieren. Die Strukturtemperaturen werden auf einem separaten Gitter diskretisiert, auf dem die Wärmeleitungsgleichung gelöst wird.

Pre- und Post-Processing:
Diese Werkzeuge wurden ständig erweitert und modifiziert. Durch die Entwicklung geeigneter Schnittstellen wurde eine interaktive Geometriespezifikation und Vernetzung möglich; eine TCL/TK-basierte Benutzerschnittstelle ermöglichte die Handhabung des Codesystems und die Steuerung interaktiv laufender Jobs; mehrere Ausgabeschnittstellen ermöglichen die Analyse der Ergebnisse durch einige Grafikwerkzeuge, z.B. ist es möglich, sogar 3D-Darstellungen von Daten durch die AVS-Software zu animieren.

FLUTAN-MEGAPIE
Temperaturfeld im MEGAPIE-Modul und in seinem unteren Teil. Das PbBi kommt aus dem Ringkühler in den dünnen Ringspalt, wird in den unteren 0,3 m durch den Protonenstrahl volumetrisch aufgeheizt und steigt im Inneren des Stahlführungsrohrs aufgrund der Auftriebskräfte auf. Der Bypass-Strahl zur Kühlung des halbkugelförmigen Stahl-"Fensters" wird durch eine kalte Flüssigkeitsquelle von 1,18 kg/s modelliert. Der Wärmeübergang durch das Führungsrohr heizt das nach unten strömende Fluid stark auf und macht die Fensterkühlung dadurch weniger effizient. (Groetzbach et al. 2002).

Anwendungsbebiete:
FLUTAN wurde sorgfältig getestet und verifiziert. Es hat erfolgreich an mehreren Benchmarks teilgenommen, teilweise mit Blindvorhersagen für einige Experimente. Es wurde bereits intensiv im Nuklearbereich eingesetzt, zur

  • Untersuchung der Nachzerfallswärmeabfuhr von LMFBRs des Pool-Typs,
  • Analyse der Kühlung von DWR-Hüllrohren durch natürliche Konvektion und Strahlung,
  • Interpretation der einphasigen Langzeitabkühlung einer Kernschmelze in einem optionalen Sumpfkühlungskonzept des EPR (siehe obere Abbildung),
  • Vorhersage des Strömungs- und Abkühlungsverhaltens in ADS-Targets und im zugehörigen MEGAPIE-Targetmodul (siehe Abbildung unten).

References to the code

  • Bottoni, M., Willerding, G., Advanced solution algorithms for transient multidimensional thermohydraulic flow problems in complex geometries with the program COMMIX-2/KfK. Nucl. Engng & Design 100 (1987) pp.351-65.
  • Borgwaldt, H., CRESOR, A Robust Vectorized Poisson Solver Implemented in the COMMIX-2(V) Thermal-Hydraulic Code. Int. Conf. On Supercomputing in Nuclear Applications (SNA 90). Mito City, Japan, March 12-16 (1990) pp. 346-351.
  • Guenther, C., Fortgeschrittene Upwind-Differenzen-Verfahren zur numerischen Loesung der Konvektions-Diffusionsgleichung. Habilitation, Universitaet Karlsruhe (1992) KfK 4697
  • Willerding, G., Baumann, W., FLUTAN 2.0 Input Specifications. Forschungszentrum Karlsruhe (1996) FZKA 5712.
  • Ammann, T., Entwicklung eines impliziten Verfahrens zur lokalen Verfeinerung eines strukturierten Gitters; Dissertation, Universitaet Karlsruhe (1997) FZKA 5864
  • Carteciano L.N., Weinberg D., Mueller U., Development and Analysis of a Turbulence Model for Buoyant Flows (96kB). Proc. 4th World Conf. on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Bruxelles, Belgium, June 2-6 (1997) 3 Pisa Edition ETS, pp. 1339-46
  • Jin, X., Rechenverfahren zur Diskretisierung von Stroemungen in komplexer Geometrie mittels koerperangepasster Gitter. Dissertation, Universitaet Karlsruhe (2001) FZKA 6596
  • Carteciano, L., Groetzbach, G., Validation of turbulence models for a free hot sodium jet with different buoyancy flow regimes using the computer code FLUTAN; Forschungszentrum Karlsruhe, FZKA 6600 (2003)

References to some applications:

  • Weinberg, D.; Rust, K.; Hoffmann, H., Overview report of RAMONA-NEPTUN program on passive decay heat removal. Forschungszentrum Karlsruhe, FZKA-5667 (1996)
  • Baumann, W., Carteciano, L., Weinberg, D., Thermal propagation effects in a vertical turbulent flow behind a jet block - A benchmark exercise. J. of Hydraulics Research 35 (1997) pp. 843-864
  • Cheng, X., Mueller, U., Turbulent Natural Convection Coupled with Thermal Radiation in Large Vertical Channels with Asymmetric Heating. Int. J. Heat Mass Transfer 41 (1998) pp. 1681-1692
  • Groetzbach, G., Carteciano, L.N., Dorr, B., Jin, X., Analysis of an LWR Sump Cooling Concept (684kB). 29th IAHR Congress, Special Seminar Advances in Industrial Hydraulics and Applications to Energy Production, Beijing, China, September 17-21 (2001)
  • Groetzbach, G., Carteciano, L. N., Dorr, B., Analysis of the integral heat transfer characteristics of the MEGAPIE target (1033kB). Jahrestagung Kerntechnik 2002, Kerntechnische Gesellschaft e.V., INFORUM Bonn (2002) pp. 559 – 563

Weitere Referenzen zum FLUTAN-Code und seinen Anwendungen finden Sie in der FZK-Publikationsdatenbank, wo Sie nach den Veröffentlichungen der oben genannten Autoren suchen können.