(GRS 518) Anwendung und Validierung von CFD-basierten Verfahren für mehrskalige und multiphysikalische Simulationen in der Reaktorsicherheit

Im Rahmen des von BMWi geförderten Projekts RS1540 „Anwendung und Validierung von CFD-basierten Verfahren für mehrskalige und multiphysikalische Simulationen in der Reaktorsicherheit“ wurden Computational Fluid Dynamics (CFD) basierte Verfahren für mehrskalige und multiphysikalische Simulationen zur Berechnung von dreidimensionalen thermohydraulischen Strömungs- und Wärmeübergangsphänomenen in Kernkraftwerken bereitgestellt, weiterentwickelt, erprobt und anschließend validiert. Die Schwerpunkte lagen auf der Berechnung von strömungsinduzierten Schwingungen mit Hilfe von multiphysikalischen Rechenprogrammen sowie auf der Weiterentwicklung und Validierung von mehrskaligen gekoppelten thermohydraulischen 1D-3D Codes.
Ziel der Untersuchungen zu strömungsinduzierten Schwingungen war es, reaktortypische, strömungsinduzierte Schwingungsphänomene analysieren und bewerten zu können. Deshalb wurden im Rahmen einer Literaturrecherche zunächst die vorhandenen Methoden zur Berechnung und Analyse strömungsinduzierter Schwingungen untersucht. Darüber hinaus konnten vereinfachte Verfahren (z. B. Korrelationen) für die Bewertung solcher Phänomene im Bereich der Reaktorsicherheit evaluiert werden. In einem weiteren Schritt wurden zwei Zwei-Wege Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) Verfahren zur Analyse des Vattenfall Rod Vibration Tests bereitgestellt und eingesetzt. Das erste ist die CFD-CSM-Kopplung ANSYS CFX-MOR und das zweite die volle multiphysikalische CFD-CSM-Kopplung ANSYS CFX-Mechanical. Diese unterscheiden sich in ihrem Einsatzbereich, in der zu erzielenden Genauigkeit und im Rechenaufwand. Die beiden gekoppelten multiphysikalischen Rechenverfahren wurden verglichen und anhand von Vattenfall-Daten validiert.
Im Rahmen von RS1540 wurde die Kopplung zwischen ATHLET und den CFD-Rechenprogrammen ANSYS CFX und OpenFOAM für Zweiphasenströmungen weiterentwickelt. Dabei wurden nicht nur der Austausch der Zweiphasenparameter zwischen ATHLET und OpenFOAM realisiert, sondern auch fortschrittliche Kopplungsalgorithmen, wie z. B. ein Quasi-Newton Verfahren, entwickelt und implementiert. Zweiphasige gekoppelte ATHLET-ANSYS CFX Simulationen wurden durchgeführt und die wesentlichen Herausforderungen dieser Analysen identifiziert. Es wurden CFD-Gebiete mit komplexeren Geometrien ausgewählt und verbesserte Kopplungsschemata getestet. Vor dem Hintergrund der wachsenden Bedeutung der gekoppelten ATHLET-CFD-Analysen wurde ATHLET-ANSYS CFX anhand des ROCOM PKLIIIT1.1 Versuchs validiert. Während die eigenständige Simulation mit ANSYS CFX gute Resultate im Vergleich mit dem ROCOM Experiment lieferte, traten in der aufwendigen, gekoppelten Simulation mit ATHLET-ANSYS CFX zunächst Schwierigkeiten auf. In diesem Fall erfolgte die Kopplung an den drei kalten und drei heißen Strängen des Druckwassersimulators. Dabei hat sich gezeigt, dass Druck- und Geschwindigkeitsoszillationen im Gesamtsystem auftraten, die den Massenaustausch zwischen den gekoppelten Systemen und der Volumenausgleichsleitung im ATHLET stark beeinflussen. Mit Hilfe eines neuen Pumpendmodells im ATHLET-Rechengebiet konnte die gekoppelte Simulation stabilisiert werden. Die erzielten Ergebnisse für den Vermischungsskalar wurden mit Versuchsdaten verglichen und dabei konnte eine gute Übereinstimmung festgestellt werden.