FACHHOCHSCHULE DORTMUND
CFD-Simulation
CO₂-Verdampfung simulieren. Numerische Stabilität untersuchen.
Ausgehend von einer Anfrage aus der Industrie wurde die CO₂-Verdampfung in einem vertikalen Rohr untersucht. Dafür entstand ein vollständig parametrisierter Simulationsaufbau in Ansys Workbench, ergänzt um ein selbst entwickeltes Excel/VBA-Werkzeug zur analytischen Auslegung und Netzvorbereitung. In Ansys Fluent wurde die partielle Verdampfung transient simuliert und das numerische Verhalten des Modells systematisch untersucht.
Masterarbeit
Arbeitsumfang: Literaturrecherche, analytische Auslegung, CFD-Modellbildung, vollständige Simulationsparametrisierung, Excel/VBA-Programmierung, Netzgenerierung, transiente Simulation, Netzkonvergenz- und Sensitivitätsanalysen sowie Ergebnisauswertung
Titelbild: Rohrbündelwärmetauscher (Symbolbild). Bildquelle: ENCO Energie Componenten.
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SIMULATIONSPRINZIP
Durchströmen. Beheizen. Verdampfen.
Flüssiges CO₂ strömt von unten durch ein vertikales Rohr. Über die Rohrwand wird Wärme zugeführt. Ein Teil der Flüssigkeit verdampft, sodass eine Zweiphasenströmung aus Flüssigkeit und Dampf entsteht.
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SIMULATIONSAUFBAU
Vom Wärmetauscher zum Einzelrohr
In einer vorausgegangenen Arbeit verhinderten Konvergenzprobleme die Abbildung des Verdampfungsprozesses. Warum sie auftraten, ließ sich nicht abschließend klären. Die Masterarbeit knüpfte daran an und untersuchte, wie verschiedene Modellparameter den Simulationsverlauf und die numerische Stabilität beeinflussen.
Ausgangspunkt waren CO₂-Rechnungen, die nach einer gewissen Simulationsdauer nicht mehr konvergierten. Für die Untersuchung wurde ein beheiztes Einzelrohr als vereinfachter Modellfall eines Rohrbündelwärmetauschers gewählt.
Eine veröffentlichte experimentelle Untersuchung lieferte die Betriebsbedingungen für die aufwärtsgerichtete Rohrströmung. Damit standen konkrete Ausgangswerte für Druck, Temperatur, Massenstromdichte, Rohrdurchmesser und Wärmezufuhr zur Verfügung.
Das Modell wurde zweidimensional und rotationssymmetrisch aufgebaut, um den Rechenaufwand zu begrenzen. Die Schwerkraft wurde entlang der vertikalen Rohrachse berücksichtigt. Die Wärmeleitung durch die Rohrwand und der Wärmeübergang an das Fluid wurden gekoppelt berechnet.
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PARAMETRISIERUNG
Von der Auslegung zur Simulation
Für die Vorbereitung entwickelte ich ein eigenes Excel/VBA-Werkzeug. Aus Stoffdaten und Betriebsgrößen ermittelt es unter anderem den erforderlichen Wärmestrom, Rohrlängen, Strömungskennzahlen und Druckverluste. Zusätzlich unterstützt es die Auslegung der wandnahen Netzschichten.
Der gesamte Simulationsaufbau war in Ansys Workbench vollständig parametrisiert und zusätzlich mit der Excel-Datei verknüpft. Dadurch ließen sich sämtliche Parameter innerhalb kürzester Zeit ändern und der gesamte Aufbau auf andere Abmessungen und Betriebsbedingungen umstellen. Die Verknüpfungen zwischen Geometrie, Netz und Berechnung blieben dabei erhalten.
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MODELLBILDUNG & UNTERSUCHUNG
Vom Modell zur Auswertung
Modellansätze erproben. Zur Einarbeitung wurden zunächst stabile Verdampfungsrechnungen mit Wasser aufgebaut. Für CO₂ wurden verschiedene Ansätze erprobt, darunter Euler–Euler. Der Schwerpunkt lag auf der detaillierten Konfiguration des Volume-of-Fluid-Modells (VOF).
Strömung initialisieren. Zunächst wurde die Strömung ohne Wärmezufuhr initialisiert. Darauf aufbauend begann die beheizte, transiente Berechnung des Phasenwechsels. Anfangs- und Randbedingungen sowie die wandnahe Netzauflösung wurden auf diesen Ablauf abgestimmt.
Einflussgrößen untersuchen. Eine Netzkonvergenzstudie untersuchte den Einfluss der räumlichen Diskretisierung. In einer Sensitivitätsanalyse wurde die Verdampfungsfrequenz im Lee-Modell variiert und ihr Einfluss auf die Dampfentwicklung und die numerische Stabilität ausgewertet. Ergänzend wurden die Blasenbewegung, räumliche Strömungsgrößen und zeitliche Verläufe analysiert.
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ERGEBNIS
Partielle CO₂-Verdampfung abgebildet
Mit dem aufgebauten VOF-Simulationsmodell ließ sich die partielle CO₂-Verdampfung transient darstellen. Die Sensitivitätsanalyse zeigte, wie stark die gewählte Verdampfungsfrequenz sowohl die Dampfentwicklung als auch die erreichbare simulierte Zeitspanne beeinflusst.
Ein Rechenfall ermöglichte einen längeren Verlauf als die übrigen Varianten. Er wurde wegen des hohen Rechenaufwands und der abnehmenden numerischen Stabilität bewusst beendet. Eine dauerhaft stabile CO₂-Verdampfungsrechnung ließ sich im Rahmen der Arbeit nicht nachweisen.
Entstanden sind ein vollständig parametrisierter Simulationsaufbau, das selbst entwickelte Excel/VBA-Werkzeug und eine detaillierte Dokumentation der Modellkonfiguration und der durchgeführten Untersuchungen. Der Aufbau ermöglicht die schnelle Umstellung auf weitere Geometrie- und Betriebsparameter und bildet damit eine Grundlage für anschließende Untersuchungen.
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FACHLICHER EINBLICK
Aufbau. Grundlagen. Modellkonfiguration.
Simulationsaufbau
Geometrie, Vernetzung und Aufbau der Berechnung in Ansys Workbench und Fluent.
Strömungsformen
Grundlagen der Zweiphasenströmung im vertikalen Rohr.
VOF-Modellkonfiguration
Gewählte Modelle, numerische Einstellungen und ihre fachlichen Begründungen.
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FACHLICHER EINBLICK
Grundlagen. Aufbau. Konfiguration.
Drei Leseproben geben schon jetzt Einblick in die theoretischen Grundlagen, den Simulationsaufbau und die Konfiguration des VOF-Modells. Eine ausführliche Projektbeschreibung folgt.
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Grundlagen
Thermodynamik, Wärmeübertragung und Zweiphasenströmungen in vertikalen Rohren.
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Simulationsaufbau
Geometrie, Vernetzung und Aufbau der Berechnung in Ansys Workbench und Fluent.
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VOF-Modellkonfiguration
Gewählte Modelle, numerische Einstellungen und ihre fachlichen Begründungen.
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