Projekti / Programi
Raziskave turbulentnega prenosa toplote v kanalu z naprednimi eksperimentalnimi in računskimi metodami
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.03.00 |
Tehnika |
Energetika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T200 |
Tehnološke vede |
Termično inženirstvo, uporabna termodinamika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
turbulentni prenos toplote, eksperimenti, simulacije v mehaniki tekočin
Raziskovalci (7)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
16435 |
dr. Boštjan Končar |
Energetika |
Raziskovalec |
2018 - 2021 |
0 |
| 2. |
23297 |
dr. Marko Matkovič |
Energetika |
Raziskovalec |
2018 - 2021 |
0 |
| 3. |
34279 |
dr. Blaž Mikuž |
Energetika |
Raziskovalec |
2020 - 2021 |
0 |
| 4. |
35548 |
dr. Jure Oder |
Energetika |
Raziskovalec |
2018 - 2021 |
0 |
| 5. |
35549 |
dr. Matej Tekavčič |
Procesno strojništvo |
Raziskovalec |
2018 - 2021 |
0 |
| 6. |
12057 |
dr. Iztok Tiselj |
Energetika |
Vodja |
2018 - 2021 |
0 |
| 7. |
50515 |
Boštjan Zajec |
Energetika |
Mladi raziskovalec |
2018 - 2021 |
0 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
18 |
Povzetek
Anulus (cev s presekom kolobarja), ki ga obravnavamo v tem predlogu, lahko predstavlja približek za tok ob cilindru ali tok v kanalu. Ko je razlika med zunanjim in notranjim polmerom majhna, postane tok skozi anulus podoben toku v kanalu med dvema ravnima ploščama. Anulus, v katerem je zunanji polmer precej večji od notranjega, je uporaben približek za tok ob vročem cilindru (cevi), ki ga z zunanje strani hladi tekočina. Takšno geometrijo pogosto srečamo v jedrskih elektrarnah in v izmenjevalnikih toplote. Projekt, v katerem bomo obravnavali prenos toplote v anulusu, ima dva cilja:
1) Razvoj nove testne sekcije oblike anulusa za meritve konjugiranega prenosa toplote in njena priključitev na obstoječo eksperimentalno zanko. Najbolj obetavna geometrija testne sekcije je greta tanka notranja stena in prozorna zunanja stena. Na notranji steni bomo analizirali konjugiran prenos toplote z ne-invazivnimi tehnikami kot so infra rdeča termografija, PIV (Particle Image Velocimetry), poskusili pa bomo tudi z interferometrijo s faznim zamikom (Phase Shift Interferometry).
2) Drugi cilj projekta so simulacije konjugiranega prenosa toplote v geometriji našega eksperimenta. Načrtujemo uporabo direktne numerične simulacije, ki je najbolj natančna metoda za opis turbulentnih tokov, zaradi računske zahtevnosti pa je omejena na Reynoldsova število okoli 10000. Ker bo to morda premalo za naše eksperimente, bomo za red velikosti višja Reynoldsova števila obravnavali z metodo velikih vrtincev (LES=Large Eddy Simulation). Numerične rezultate bomo primerjali z novimi meritvami. Za LES modele bomo razvili podmrežne (sub-grid) modele za temperaturno polje v simulacijah vezanega prenosa toplote.
Glede na naše poznavanje problematike, bo predlagana raziskava napovedala penetracijo turbulentnih temperaturnih fluktuacij v stene anulusa z natančnostjo, ki je v razpoložljivi znanstveni literaturi danes ni mogoče zaslediti. Obstajajo zelo natančne meritve v nekaterih geometrijah, ki pa niso bile obravnavane v simulacijah. Na drugi strani obstajajo natančne simulacije v poenostavljenih geometrijah, ki jih ni mogoče preveriti v eksperimentih. Naša raziskava bo premostila vrzel med eksperimenti in simulacijami na področju turbulentnega konjugiranega prenosa toplote.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultate meritev in simulacij konjugiranega prenosa toplote v anulusu bomo uredili v primerne podatkovne base, ki bodo uporabne za celotno skupnost, ki se ukvarja s prenosom toplote. Podatkovne baze bodo odprtega tipa. Še posebej bodo pomembne za jedrsko industrijo, kjer je geometrija anulusa prisotna v številnih komponentah elektrarne. Meritve in simulacije konjugiranega prenosa toplote v isti geometriji anulusa in pri istih pogojih, bodo predstavljale prve podatke te vrste in bodo pomagale premostiti vrzel med eksperimenti in simulacijami na področju turbulentnega konjugiranega prenosa toplote.
Preverjanje modelov LES, gostote diskretnih mrež LES v tekočini in steni bo tudi predstavljalo originalen in pomemben prispevek. Pomemben preboj pričakujemo, če nam bo uspelo razviti modele LES, ki bodo omogočali natančne simulacije konjugiranega prenosa toplote in napovedovanje temperaturnih fluktuacij v stenah okoli tekočine.
Novo raziskovalno področje, ki bo temeljilo tudi na rezultatih našega projekta bi bil lahko razvoj RANS turbulentnih modelov za konjugiran turbulentni prenos toplote v CFD programih. Druga možna smer nadaljnjih raziskav so natančnejše napovedi toplotnega utrujanja materialov, ki bodo povečale zanesljivost ter varnost procesnih sistemov, ki so izpostavljeni temperaturnim fluktuacijam.
Pomen za razvoj Slovenije
Elektro industrija, jedrska industrija, jedrska varnost
Kljub naraščajočemu deležu vetrne in solarne elektrike v preteklih dveh desetletjih, jedrska energija še vedno predstavlja drugi največji vir brezogljične elektrike (za energijo hidroelektrarn) na planetu. Poleg tega je hitrost rasti vetrne in sončne elektrike v preteklih dveh desetletjih počasnejša od raste jedrske energije v v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je bil obseg svetovne populacije in ekonomije precej manjši od današnjega. (Cao et.al, 2016). Zadnja leta nemške energetske preobrazbe ("Energiewende") vse jasneje kažejo, da bo brezogljično proizvodnjo električne energije brez prispevka jedrskih elektrarn zelo težko doseči. Takšen razvoj dogodkov kaže na nujnost vlaganj v raziskave in razvoj jedrske energije.
Poznavanje karakteristik prenosa toplote je ključno za učinkovito delovanje vseh vrst toplotnih strojev, vključno z jedrskimi elektrarnami. Natančne napovedi temperaturnih fluktuacij na stiku tekočine in stene bi močno izboljšale natančnost napovedovanja mehanizma toplotnega utrujanja. To je posebej pomembno za jedrsko elektrarno Krško in ostale elektrarne v Evropi in svetu, ki načrtujejo varno podaljšanje življenjske dobe, ki bi lastnikom elektrarn in porabnikom elektrike prineslo velike pozitivne ekonomske učinke.
Isti modeli bi bili uporabni tudi na številnih drugi področjih procesnega strojništva. Na primer: rezervoarji za shranjevanje toplote v solarnih termoelektrarnah so izpostavljeni zelo velikim nihanjem temperatur staljene soli. Čeprav tovrstne elektrarne danes ekonomsko niso konkurenčne, bi nova znanja pridobljena v okviru predlaganega projekta lahko pomagala pri načrtovanju in podaljšanju življenjske dobe omenjenih sistemov.
Raziskovalna infrastruktura IJS
Projekt bo predstavljal veliko motivacijo za nadgradnjo računalniških gruč na Odseku za reaktorsko tehniko IJS ali pa gruč v okviru centralnega računalniškega centra IJS, ki poskuša konsolidirati in centralizirati računalniške zmogljivosti IJS, ki so v tem trenutku precej razpršene.
Projekt bo dal dodaten zagon tudi termohidravličnemu laboratoriju Odseka za Reaktorsko tehniko IJS.
Vzdrževanje kompetenc na področju jedrske tehnike za potrebe odločanja
Posreden učinek projekta bodo tudi nova znanja, ki bodo omogočala vzdrževanje kompetenc IJS kot pooblaščene tehnične organizacije, ki za Upravo za jedrsko varnost RS pripravlja strokovna mnenja. Vzdrževanje znanj na področju jedrske tehnike tako zagotavlja znanstveno in tehnično podporo različnim odločevalcem v državi, ki sprejemajo odločitve povezane z načrtovanjem, obratovanjem in razgradnjo jedrskih objektov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
