Three-dimensional magnetohydrodynamic phenomena in circular pipe flow
Creators: name: Klüber, Viktor
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: nuclear fusion
liquid metal breeding blanket
computational fluid dynamics
magnetohydrodynamics

description: Ein numerischer Rechencode für die Simulation magnetohydrodynamischer (MHD) Flüssigmetallströmungen in Blankets zukünftiger Fusionsreaktoren wurde erweitert, um komplexe MHD-Phänomene in Geometrien mit gekrümmten Wänden wie z.B. kreisförmigen Rohren zu untersuchen. In diesen MHD-Strömungen wechselwirken induzierte elektrische Ströme mit dem Magnetfeld, welches das Fusionsplasma einschließt, was letztendlich zu starken Lorentz-Kräften, erheblicher Fluidumverteilung und hohen Druckverlusten in der Flüssigmetallströmung führt. Die Anwendung eines schiefheitskorrigierten Green-Gauss- oder eines Least-Squares-Verfahrens zur Berechnung des elektrischen Potentialgradienten zeigt, dass die höhere Genauigkeit dieser Diskretisierungsmethoden für die Lösung der schlecht konditionierten Gleichungen für das elektrische Potential und die elektrische Stromdichte zwingend erforderlich ist. Die detaillierten Untersuchungen auf strukturierten und unstrukturierten Rechengittern spiegeln die große Herausforderung wider, nicht-geradlinige Geometrien adäquat aufzulösen, wobei ein Hauptproblem die Diskretisierung extrem dünner und gekrümmter MHD-Grenzschichten darstellt, ohne dabei die Anzahl der Gitterpunkte im Strömungskern übermäßig zu erhöhen. Die neuen robusteren Methoden führen so zu einer erheblichen Verbesserung der Genauigkeit der Ergebnisse und damit der Leistungsfähigkeit des Codes. Sie ermöglichen zum ersten Mal die Verwendung unstrukturierter Rechengitter, selbst wenn das Magnetfeld sehr stark ist. Der weiterentwickelte Code wird für dreidimensionale Simulationen von Flüssigmetallrohrströmungen in einem inhomogenen Magnetfeld sowie von ein- und austretenden MHD-Strömungen in Strömungskanaleinsätze, die der Druckverlustreduzierung dienen, angewandt. Diese Beispiele wurden ausgewählt, da experimentelle Ergebnisse sowohl für den Druck als auch für das elektrische Oberflächenpotential als Validierungsdaten zur Verfügung stehen. Die Simulationen bieten detailreiche Einblicke in physikalische Phänomene und zeigen Druckbelastungen in Strömungskanaleinsätzen, die mit experimentellen Methoden schwer zugänglich sind. In beiden untersuchten Fällen führen axiale Potentialgradienten zu großräumigen dreidimensionalen Rezirkulationsschleifen elektrischer Ströme, die sich auf Druckverteilung und Geschwindigkeitsprofil auswirken. Ein Vergleich von experimentellen und numerischen Ergebnissen entlang der Rohroberfläche zeigt eine gute Übereinstimmung. Die Simulationen offenbaren zudem, dass ein Kräfteausgleich hauptsächlich zwischen der Lorentzkraft und der Druckkraft besteht. Nur ein kleiner Restanteil der elektromagnetischen Kraft, der als magnetodynamische Kraft eingeführt wird, gleicht sich über Trägheits- und Reibungskräfte aus. Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse tragen zur Verbesserung des verwendeten numerischen Codes bei und erweitern seine Anwendbarkeit für zukünftige Anforderungen der Blanketentwicklung und Fusionsforschung. Dies betrifft insbesondere Anwendungen des Codes für komplexere Geometrien und ganze Blanket-Module.