Numerische Simulation von ein- und zweiphasigen Strömungen in komplexen Geometrien: Modellierung von Kondensationsprozessen und Quantifizierung der numerischen Unsicherheiten

Abstract

In dieser Arbeit werden CFD-Methoden angewendet, um ein- und zweiphasige Strömungsmechanismen, welche im Falle eines Störfalls in einem Druckwasserreaktor DWR auftreten, besser zu verstehen. Aufgrund der hohen geometrischen Komplexität der DWR-Konfiguration werden diese Strömungsmechanismen in einem ersten Schritt in der containment-ähnlichen Geometrie THAI+ simuliert. Da die Quantifizierung der numerischen Unsicherheiten in komplexen und großen multiskalen Geometrien eine zeit- und ressourcenaufwändige Aufgabe ist, wurden bis jetzt fast keine detaillierten Studien durchgeführt, um diese Fehlerart genau zu untersuchen. Deswegen werden in dieser Arbeit drei Methoden zur Abschätzung der numerischen Unsicherheiten in verschiedenen Gitterarten angewendet. Diese sind die Richardson-Extrapolationsmethode REM, die Methode der kleinsten Quadrate LSQ und die Blend-Faktor-Methode BFM, deren Grundidee in der vorliegenden Arbeit entwickelt wurde. Die Anwendbarkeit dieser drei Methoden auf das hochkomplexe Strömungsfeld in THAI+ wird unter Verwendung vier verschiedener Gitterarten getestet. Dabei werden die numerischen Unsicherheiten in Gittern mit unterschiedlichen Feinheitsstufen bis zu ca. 40 Millionen Elementen quantifiziert. Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass die Gitter- und Strömungskomplexität einen großen Einfluss auf die Anwendbarkeit der drei Methoden haben und, dass die hexaedrischen Gitter im Allgemeinen die niedrigsten Unsicherheiten aufweisen. Die in diesen Studien gewonnenen Erkenntnisse und quantifizierten numerischen Unsicherheiten stellen einen ersten Schritt zur Festlegung von Qualitätsrichtlinien für THAI+ und Geometrien mit ähnlicher Komplexität dar. Das Skalierbarkeitsverhalten der CFD-Rechnungen wird auf verschiedenen Gitterarten und für unterschiedliche Feinheitsstufen untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die hexaedrischen Gitter das beste Skalierbarkeitsverhalten besitzen. Allerdings führten Rechnungen auf den hexaedrischen Gittern meistens zu den höchsten Rechenzeiten. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden Richtlinien für die optimale Nutzung der Rechenressourcen in Abhängigkeit der Gitterart und -auflösung festlegen. Außerdem wird in dieser Arbeit ein Kondensationsmodell weiterentwickelt, welches in das CFD-Programm ANSYS CFX 16.1 implementiert wird. Das Modell basiert auf dem Zwei-Fluid Modell und stellt eine simultane Beschreibung von Wand- und Volumenkondensation dar. Zur Validierung des Modells dienen Messreihen aus der CONAN-Versuchsanlage. Dabei werden die numerischen Unsicherheiten quantifiziert und daran anschließend wird ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Messdaten diskutiert. Im nächsten Schritt wird die Anwendbarkeit des Modells in der komplexeren dreidimensionalen THAI+-Geometrie getestet, indem Simulationsergebnisse mit den experimentellen Daten des Versuchs TH 27 verglichen werden. Das Skalierbarkeitsverhalten der zweiphasigen Simulation mit berücksichtigtem Modell wird auch untersucht. Das verwendete Gitter mit ca. 8,7 Millionen Elementen zeigte eine gute Skalierbarkeit. Die Anwendbarkeit des Modells wird anschließend in einem generischen DWR-Containment unter Verwendung eines vereinfachten LOCA-Störfallszenarios betrachtet. Nach Quantifizierung der numerischen Unsicherheiten auf Gittern bis zu 114,8 Millionen Elementen, werden dreidimensionale Transportvorgänge gezeigt. Eine Betrachtung der Skalierbarkeit der CFD-Simulation im DWR-Containment rundet die Arbeit ab.