(GRS-688) Weiterentwicklung und Validierung von OpenFOAM-Solvern und Kopplungsmethoden für die Thermohydraulik im Kühlkreislauf (WEVAFOAM)

H. Mistry, Z. Yang, J. Herb, A. Papukchiev

Im Rahmen des von BMUV und vormals BMWK geförderten Projekts RS1591 „Weiterentwicklung und Validierung von OpenFOAM-Solvern und Kopplungsmethoden für die Thermohydraulik im Kühlkreislauf“ (WEVAFOAM) wurde der Open-Source Code Open-FOAM für die Analyse von komplexen einphasigen Strömungen im Kernbereich eines DWRs validiert, die bestehende ATHLET-OpenFOAM-Kopplungsschnittstelle für ein ausgewähltes zweiphasiges Strömungsbild weiterentwickelt und anhand des zweiphasigen LSTF ROSA V Test 1.1 Versuchs validiert.

Um die Wärmeübertragung in den Brennelementen durch eine Strömungsverwirbelung zu verbessern, werden Brennelement-Abstandshalter mit komplexen Geometrien eingesetzt. OpenFOAM muss für die zuverlässige Vorhersage der lokal auftretenden Strömungs- und Wärmeübergangsphänomene in den Brennelementen validiert werden. Dazu wurden Analysen zu dem koreanischen MATiS-H Benchmark für Brennelement-Konfigurationen mit zwei unterschiedlichen Abstandshaltertypen durchgeführt. Die Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS)-, Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes (URANS)- und die skalenauflösenden Analysen mit OpenFOAM und ANSYS CFX zeigten, dass mit den beiden Programmen ähnliche Ergebnisse erzielt werden können. Die berechneten Geschwindigkeitsprofile stimmen gut mit den gemessenen überein.

Die Strömungsuntersuchungen im Kernbereich eines DWRs wurden im Rahmen der GRS-Beteiligung am AER VVER-440 Benchmark fortgesetzt. Der Benchmark befasst sich mit der Kühlmittelvermischung und der Temperaturverteilung in zwei VVER-440 Brennelementtypen. Diese haben 11 Abstandshalter und unterschiedliche Beheizung. Die CFD-Ergebnisse, erzielt mit OpenFOAM und ANSYS CFX, stimmen sehr gut überein. Der Benchmark ist noch nicht abgeschlossen, die GRS hat dem Koordinator ihre Simulationsergebnisse bereits zur Verfügung gestellt.

Vor dem Hintergrund der wachsenden Bedeutung der gekoppelten ATHLET-CFD-Analysen wurde ATHLET-OpenFOAM anhand des zweiphasigen Versuchs ROSA V Test 1.1 an der Large Scale Test Facility (LSTF)-Anlage validiert. Dazu musste zuerst die bestehende Kopplung weiterentwickelt werden. Neue Randbedingungen, die die Berechnung von Zweiphasenströmung mit freier Oberfläche ermöglichen, wurden programmiert. In den zweiphasigen gekoppelten Analysen wurde der kalte Strang A und die Hälfte vom LSTF-Ringraum mit OpenFOAM dargestellt, während der Rest der japanischen Anlage mit ATHLET simuliert wurde. Die aufwendigen Analysen wurden mit sehr kleinem Zeitschritt durchgeführt, wobei aufgetretene numerische Instabilitäten Schnittstellenanpassungen notwendig machten. Die mit ATHLET-OpenFOAM erzielten Ergebnisse stimmen für die meisten Messstellen gut mit Versuchsdaten überein. Es gibt jedoch solche, für die die Fluidtemperatur vom Rechenprogramm über- bzw. unterschätzt wird. Dies ist auf die CFD-Rechnung und nicht auf die Schnittstelle zurückzuführen, da die eigenständigen OpenFOAM-Ergebnisse und die gekoppelten ATHLET-OpenFOAM-Ergebnisse sehr gut miteinander übereinstimmen.