Raziskave turbulentnega prenosa toplote v kanalu z naprednimi eksperimentalnimi in računskimi metodami

Nazaj na seznam za leto 2018

Oznaka in naziv projekta

L2-9210 Raziskave turbulentnega prenosa toplote v kanalu z naprednimi eksperimentalnimi in računskimi metodami
L2-9210 Investigation of turbulent heat transfer in an annulus through advanced experimental and computational methods

Trajanje projekta: 2018-2021

Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev

Projektna skupina

Vodja projekta: Dr. Tiselj Iztok

Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS

Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS

Vsebinski opis projekta

Znanstvena izhodišča
Turbulenten prenos toplote predstavlja enega od temeljev za načrtovanje in upravljanje sistemov v energetiki in procesni tehniki. Procese prenosa toplote lahko razdelimo v dve veliki skupini na osnovi mehanizma prenosa toplote: enofazni prenos toplote, ki je tema tega predloga in dvofazni prenos toplote, kjer učinkovitost prenosa dosežemo s faznimi spremembami. Oba mehanizma zasledimo v plinskih, premogovnih in jedrskih termoelektrarnah, ki danes proizvedejo blizu 80% svetovne elektrike (British Petroleum statistika, 2017), pomembna sta pa tudi za geotermalne ali solarne termoelektrarne. Skoraj vse toplotne črpalke, hladilniki in klime se zanašajo turbulenten enofazni in dvofazni prenos toplote. Vsi toplotni stroji, ki poganjajo svetovni transport, vključno z električnimi avti, potrebujejo aktivno hlajenje, ki ga pogosto zagotavlja enofazni turbulentni tok. In tako naprej prek elektronike, ogrevanja prostorov, kemijskih in metalurških procesov, do prenosa toplote v številnih naravnih procesih.

Raziskave na področju prenosa toplote za namene industrije se pogosto osredotočajo na izboljšanje učinkovitosti prenosa toplote. Celo majhna izboljšanja lahko v velikih sistemih prinesejo velike ekonomske koristi. Ob učinkovitosti pa so pomembni tudi drugi vidiki; v različnih komponentah jedrskih elektrarn, procesnih in transportnih sistemov pogosto ni dovolj le poznavanje povprečnih toplotnih tokov med grelcem in tekočino. Temperaturne fluktuacije v tekočini ob steni in v sami steni, ki lahko povzročijo toplotno utrujanje materialov in odpoved komponent, so lahko celo bolj pomembne. Probleme tega tipa poznamo pod imenom vezan prenos toplote: zahtevajo sočasno reševanje enačb temperaturnega polja v tekočini in v trdni steni. Tako omogočajo napovedovanje penetracije turbulentnih temperaturnih fluktuacij iz tekočine v steno in obratno.

Večji del znanja s področja prenosa toplote v današnjih strojih in napravah temelji na poskusih, vendar pa, predvsem v zadnjem času, vedno bolj pomembna teoretična pomoč prihaja s strani računalniških simulacij. V tem projektu smo uporabili obe metodi: z naprednimi eksperimentalnimi in računskimi metodami smo opravili analize v razmeroma enostavnih, a zelo pomembnih geometrijah kvadratnega kanala z greto notranjo steno in kanala s stopnico brez prenosa toplote. Eksperimente smo opravljali v laboratoriju THELMA na Odseku za reaktorsko tehniko IJS. Osnovna eksperimentalna zanka, katere del sta bila oba kanala obravnavana v tem projektu, je prikazana na fotografiji 1, kjer je viden tudi odsek kanala kvadratnega preseka z greto folijo.

Slika 1: Termohidravlična zanka v laboratoriju THELMA, Odseka za reaktorsko tehniko, Instituta Jožef Stefan.

Turbulenten tok tekočine smo obravnavali v dveh različnih kanalih:
- Prvi kanal kvadratnega preska je imel na eni stranici tanko folijo, ki smo jo greli s konstantno močjo. V simulacijah in eksperimentih nas je zanimala temperatura na suhi strani folije. Ključni rezultat so bile temperaturne fluktuacije, ki so posledica turbulence in penetrirajo na suho stran tanke folije. Problem smo obravnavali eksperimentalno z metodo infrardeče termografije in z natančnimi simulacijami z LES in DNS metodami.
- Drugi kanal je imel vstopni del s presekom pravokotnika, ki se nato stopničasto razširi v presek kvadrata. V tem kanalu smo napovedali podrobno obliko turbulentnega toka, vključno s hitrostnimi fluktuacijami, z eksperimenti opravljenimi z metodo PIV (Particle Image Velocimetry) ter s simulacijami z metodami LES in DNS.

V obeh kanalih so nas zanimale lastnosti turbulentnega toka na najmanjših prostorskih in časovnih skalah, vključno s temperaturnimi in hitrostnimi fluktuacijami povprečenimi po času.

Rezultati raziskave

Kvadratni kanal z greto folijo: V letu 2020 smo izdelali 4 metrsko sekcijo iz akrilnega stekla (vidna na sliki 1, shema na sliki 2), ki smo jo blizu izstopnega dela opremili s 25 mikrometrov debelo folijo, priključeno na enosmerni električni tok. Folijo smo greli z močjo 100 do 300W, z notranje strani pa jo je hladila voda (Reynoldsovo število 10.000). Z zunanje strani smo merili temperaturno polje folije z infrardečo kamero.
. .
Slika 3: Skica kanala z greto folijo.

Če želimo s simulacijami opisati podrobnosti prenosa toplote med folijo z znano debelino in z znanimi materialnimi lastnostmi (gostota, toplotna prevodnost, specifična toplota), moramo rešiti problem konjugiranega prenosa toplote, kar pomeni, da moramo ob opisu turbulence v tekočini tudi znotraj folije reševati enačbe nestacionarnega prevajanja toplote. Leta 2001 smo opravil prvo DNS konjugiranega prenosa toplote v neskončnem kanalu z realnimi stenami. Rezultati so pokazali, da so temperaturne fluktuacije, ki prodrejo v steno, zanemarljive, če steno hladi zrak. Tudi v večini tokov, kjer je hladilo voda, je penetracija temperaturnih fluktuacij v steno zelo majhna. Če pa vodo grejemo z zelo tanko kovinsko folijo, so temperaturne fluktuacije v grelcu dovolj velike, da jih lahko brez težav izmerimo na suhi strani folije. Penetracija temperaturnih fluktuacij v steno je najbolj izrazita takrat, ko jekleno steno hladimo s tekočim natrijem, saj ima le ta zelo visoko temperaturno prevodnost. V zadnjih letih je kombinacija jeklo/natrij deležna večje pozornosti zaradi obnovljenega zanimanja za hitre reaktorje, ki jih hladi tekoči natrij.

Vzporedno z eksperimentom smo izvajali tudi natančne simulacije v identični geometriji in pri identičnih pogojih z metodo velikih vrtincev (LES). Zelo natančna numerična metoda na mreži s 6 milijoni volumnov in s simulacijo 100 sekund realnega časa (četrt milijona časovnih korakov) zadovoljivo ujame vse relevantne skale turbulentnega toka v sistemu in je dovolj uspešno napovedala potrebne električne moči v eksperimentu ter amplitude in frekvence temperaturnih fluktuacij na foliji. Metoda LES je danes najbolj popularno orodje za simulacije konjugiranega prenosa toplote. Ti modeli so nekoliko manj natančni od DNS pristopa, a omogočajo simulacije pri približno red velikosti večjih Reynoldsovih številih, ki so lažje dosegljiva v eksperimentih. LES modeli so bili v zadnjem času uporabljeni v različnih geometrijah pomembnih za analize termičnega utrujanja materialov.

Za še natančnejše primerjave simulacij in eksperimenta smo opravili tudi simulacije z najnatančnejšo metodo simulacije: direktno numerično simulacijo. Ta je zahtevala gostejšo mrežo s 100 milijoni volumnov, za časovni interval 100 sekund pa je potrebnih okoli 0.3 milijona časovnih korakov. Simulacija se izvaja na superračunalniku VEGA v Mariboru.

. .
Slika 4: Izmerjeno trenutno temperaturno polje (levo) in temperaturno polje iz LES simulacije (desno). Enote: prirastek temperature v stopinjah Kelvina glede na vstopno temperaturo vode. Gretje folije 100 W. Tok tekočine od leve proti desni, temperaturne fluktuacije nastanejo v tekočini in penetrirajo v steno grelca.

Osnovni rezultati meritev in simulacij so polja trenutnih temperaturnih polj, ki jih kaže slika 4. Ker so trenutna temperaturna polja posledica kaotičnega turbulentnega toka, jih je nemogoče neposredno primerjati med sabo. Primerjamo jih lahko le statistično prek časovnega povprečenja trenutnih polj. V eksperimentu smo tako v 10 minutah posneli 9000 slik trenutnih temperaturnih polj podobnih tistim s slike 4 in jih povprečili po času. Osnovne statistične spremenljivke so povprečne vrednosti temperatur in vrednosti temperaturnih fluktuacij, ki kažejo zelo dobro ujemanje s simulacijami (relativne razlike 5-10%). Podrobnejše statistične analize v frekvenčnem prostoru pa so podale karakteristične valovne dolžine in frekvence temperaturnih fluktuacij. Podroben opis rezultatov je v publikaciji št. [1]. Naše raziskave napovedujejo penetracijo turbulentnih temperaturnih fluktuacij v stene grete folije z natančnostjo, ki jo v razpoložljivi znanstveni literaturi danes ni mogoče zaslediti.

Tok v kanalu s stopnico

Iz akrilnega stekla smo sestavili sami in s pomočjo zunanjega podjetja testno sekcijo, skicirano na sliki 5, kjer turbulenten tok vode preide iz kanala s pravokotnim presekov v širši kanal kvadratnega preseka. Z metodo PIV smo z dveh različnih zornih kotov natančno izmerili tokovne razmere v časovnem intervalu nekaj minut (~50.000 fotografij). Meritve smo primerjali z lastnimi simulacijami z metodo DNS, ki so bile opravljene že pred žačetkom tega projekta v popolnoma identični geometriji toka (referenci št. [3] in [4]). V okviru projekta smo opravili tudi LES simulacije, ki so opisane v magistrskem delu, referenci št. [8].
. .
Slika 5: Skica merilne zanke v toku čez stopnico (levo), testne sekcije (desno zgoraj) in neobdelane fotografije za PIV analize (desno spodaj)

. .
Slika 6: Časovno povprečena polja hitrosti in fluktuacij dveh komponent hitrosti v eni od analiziranih ravnin. Barvna polja in modre izolinije: meritve, črne izolinije: simulacije z metodo DNS.

Zgornji dve polji na sliki 6 kažeta časovno povprečeni komponenti hitrosti u in v (v smeri x in v smeri y na skici v sliki 6). Primerjava izoliniji iz zelo natančne računske metode in iz zelo natančne meritve daje dober vpogled v negotovosti obeh pristopov, ki so podrobno analizirane v članku št. [2]. Tretje, četrto in peto polje na sliki 6 kažejo primerjavo med statističnimi količinami višjih redov: časovno povprečenimi fluktuacijami komponent hitrosti u in v (RMS = Root-Mean-Square), ter časovno povprečje produkta fluktuacij obeh hitrosti u'v' . Ujemanje meritev in DNS računov je zelo dobro tudi za te statistične parametre.

Intenzivne računske metode. Simulacije turbulentnih tokov so tradicionalno velik porabnik računskega časa na največjih superračunalnikih. Učinkovitost različnih programov s področja mehanike tekočin na masivno paralelnih superračunalnikih je ključna pri izbiri računskih orodij. Danes postajajo precej očitna izbira odprtokodni programi, ki smo jih uporabili tudi v okviru našega projekta. Računalniški program NEK5000, ki temelji na metodi spektralnih elementov, se zelo učinkovito paralelizira na več deset tisoč računskih jedrih. Naši računi z NEK5000 so tekli na do 1000 procesorskih jedrih. Drugi odprtokodni program, OpenFOAM, temelji na metodi končnih volumnov. Gre za najbolj popularen odrtokodni program, ki smo ga preizkusili na nekaj tisoč procesorskih jedrih superračunalnika Vega. Skupno je bilo za namene projekta na računalnikih Odseka za reaktorsko tehniko in na računalniku Vega porabljenih nekaj milijono ur procesorskega časa.

Ostale aktivnosti v okviru projekta. Kot posebne dosežke v okviru projekta omenimo še vabljeno predavanje na največji konferenci društva American Nuclear Society št. v seznamu referenc [5] in pa poglavje v monografiji, posvečeni prof. G. Hetsroniju, izjemnemu znanstveniku, ki je bil na podoktorskem študiju mentor prijavitelja projekta I. Tislja [6]. Omeniti velja še projekt programa EU Obzorje2020, SESAME, v okviru katerega so nastale simulacije pod št. [3] in [4] in je tako predstavljal začetni impulz in spodbudo za prijavo in izvedbo tega projekta.

Pedagoška komponenta projekta. V okviru projekta sta bili opravljeni dve magistrski nalogi na študijskem program Jedrska tehnika, Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. Zapisani sta med referencami pod št. [7] in [8].

Faze projekta

Delo v okviru projekta je le malo odstopalo od začetnega načrta v zgornji tabeli. Polletno podaljšanje projekta zaradi covid-19 je bilo posledica manjše zamude pri eksperimentalnem delu projekta.

Osnovni podatki o sofinanciranju so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.

Sodelavci projekta z IJS se za financiranje zahvaljujemo ARRS in Nuklearni Elektrarni Krško!

Glavne bibliografske reference projekta

Vse reference - SICRIS
[1] TISELJ, Iztok, SHARMA, Mohit, ZAJEC, Boštjan, VELJANOVSKI, Nikola, KREN, Jan, CIZELJ, Leon, MIKUŽ, Blaž. Investigation of turbulent flow in square duct with heated foil thermometry. International journal of heat and mass transfer, ISSN 0017-9310. [Print ed.], 2021, vol. 175, str. 121381-1-121381-14, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121381.
[2] ZAJEC, Boštjan, MATKOVIČ, Marko, KOSANIČ, Nejc, ODER, Jure, MIKUŽ, Blaž, KREN, Jan, TISELJ, Iztok. Turbulent flow over confined backward-facing step : PIV vs. DNS. Applied sciences, ISSN 2076-3417, 2021, vol. 11, str. 10582-1-10582-21, doi: 10.3390/app112210582. [COBISS.SI-ID 84357891]
[3] J. Oder, A. Shams, L. Cizelj, I. Tiselj, "Direct numerical simulation of low-Prandtl fluid flow over a confined backward facing step", Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 142, October 2019, 118436.
[4] ODER, Jure, TISELJ, Iztok, JÄGER, Wadim, SCHAUB HAHN, Thomas, HERING, Wolfgang, OTIČ, Ivan, SHAMS, Afaque. Thermal fluctuations in low-Prandtl number fluid flows over a backward facing step. Nuclear Engineering and Design : international journal devoted to the thermal, mechanical and structural problems of nuclear energy, ISSN 0029-5493. [Print ed.], 2020, vol. 359, str. 110460-1-110560-12, doi: 10.1016/j.nucengdes.2019.110460.
[5] TISELJ, Iztok, FLAGEUL, Cedric, ODER, Jure. Direct numerical simulation and wall-resolved large eddy simulation in nuclear thermal hydraulics. Vabljeno (keynote predavanje in članek v reviji Nuclear Technology, ANS 2018 Winter Meeting & Expo, November 11-15, 2018 Orlando, FL, (Transactions of american nuclear society, ISSN 0003-018X, vol. 119). Washington: ANS = American Nuclear Society. 2018, str. 1050-1065.
[6] TISELJ, Iztok. Penetration of turbulent temperature fluctuations into the heated wall. V: ZISKIND, Gennady (ur.), YADIGAROGLU, George (ur.). Poglavje v knjigi: Multiphase flow phenomena and applications : memorial volume in honor of Gad Hetsroni. New Jersey . [etc.]: World Scientific. 2018, str. 51-66. [COBISS.SI-ID 31335975]
[7] KREN, Jan. Simulacije turbulentnega prenosa toplote ob greti foliji z metodo velikih vrtincev : magistrsko delo. Ljubljana: [J. Kren], 2020.
[8] JAMNIK SRPČIČ, Jan. Točnost metode velikih vrtincev za simulacije turbulentnega toka v kanalu s stopnico : magistrsko delo. Ljubljana: [J. Jamnik Srpčič], 2021

Nazaj na seznam projektov po letih