(GRS 532) Entwicklung und Validierung von Rechenmethoden zur Simulation von 2-Phasenströmungen und kritischen Wärmeströmen

Im Rahmen des von BMWi geförderten Projekts RS1527 „Entwicklung und Validierung von Rechenmethoden zur Simulation von 2-Phasenströmungen und kritischen Wärmeströmen“ wurden die Entwicklung und Validierung von Modellen und Methoden für Zwei-phasenströmung sowie von Modellen des Blasensiedens und des Filmsiedens im CFD-Code OpenFOAM bearbeitet. Zusätzlich wurde die Vorhersagefähigkeit des GRS-Systemcodes ATHLET im Bereich des kritischen Wärmestroms überprüft und verbessert.
Der Vergleich der CHF-Daten mit bisher in ATHLET verwendeten Optionen zeigte, dass die Werte von CHF in der erwarteten Größenordnung belegt waren. Weiterhin wurden die Faktoren, die die Bündelgeometrie und den Einfluss vom Abstandshaltern im Stabbündel berücksichtigen, einprogrammiert. Diese Verbesserungen wurden anhand des LOFT-Versuchs LP-LB1 getestet und die Nachrechnungen zeigten, dass die Ergebnisse ohne große Abweichungen reproduziert werden können. Die ATHLET Nachrechnungen von COSMOS-L Einzelstab-Versuchen mit den implementierten LUT von Groeneveld zeigten eine systematische Überschätzung des kritischen Wärmestroms. Die beobachteten Unterschiede stimmen mit der eigenen Interpretation von Groeneveld überein. ATHLET-Vorausrechnungen der TOPFLOW-Versuche mit Wasser sollten eine Hilfestellung bei der Durchführung der Versuche geben. Die Versuche mit Wasser wurden jedoch bisher nicht durchgeführt, so dass eine Überprüfung der Übereinstimmung bisher nicht möglich war.
Die Modelle für den Impulsaustausch zwischen den Phasen sowie die Zwischenphasen-Transportgleichung und die Energiegleichung für die Gasphase wurden in den „twoPhaseEulerFoam“ Solver implementiert. Die Integration der Energiegleichung der Dampfphase hat es erlaubt, das erweiterte RPI-Modell in den vorgenannten Solver zu implementieren. Die Arbeiten an der Weiterentwicklung des Solvers wurden mit OpenFOAM Foundation in Version 4.0 und 5.0 durchgeführt. Die neuen Solver haben sich als numerisch sehr instabil, besonderes bei höheren Gasgehalten und bei nichtisothermen Strömungen, herausgestellt. Numerische Stabilität wurde erst mit der Version 5.0 ab Mitte 2017 erreicht, wenn das sogenannte „Face Momentum“ Verfahren aktiviert wurde. Allerdings konnte die Rechnungsstabilität nur für isotherme Strömungen verbessert werden. Zwei MT-LOOP (HZDR) Versuche mit niedrigem Gasgehalt wurden nachgerechnet und eine teilweise Validierung durchgeführt.
Das NUBEKS-CHF Modell enthält eine Korrelation für die Bestimmung der kritischen Wärmestromdichte. Auf Basis dieser Korrelation wurde ein Kriterium abgeleitet, das die Wärmeübertragung zu den beiden Phasen bestimmt. Dieses Kriterium ersetzt die Um-schaltfunktion in dem erweiterten RPI-Modell so, dass wenn der CHF-Wert nach dem NUBEKS-CHF Modell erreicht wird, der Wandwärmestrom in die Gasphase umgeleitet wird. Da während der Projektlaufzeit kein stabiler Euler-Euler Solver erreicht werden konnte, war es nicht möglich, dass NUBEKS-CHF-Modell wie geplant in Simulationen zu überprüfen. Damit konnte ein wichtiges Ziel in diesem Arbeitspunkt nicht erreicht werden.