Extension of Condensate Flow Model for Aerosol Wash-down Simulation
Creators: name: Wang, Fangnian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Strömungsmuster
Benetzungsrate
Aerosolabwaschens
COCOSYS
Condensate flow regimes
coverage
aerosol wash-down

description: Abhängig vom Unfallszenario ist es möglich, dass das nukleare Aerosol, welches in den Reaktorbehälter eintritt, Partikel unterschiedlicher Größe und Art enthält. Aerosol Partikel, welche sich auf geneigten/ vertikalen Wänden im Behälter ablagern, werden von der Kondensatströmung abgewaschen und in den unteren Bereich oder in den Sumpf des Reaktorbehälters transportiert. Der Transport von Aerosol Partikeln im Reaktorbehälter beeinflusst die Verteilung der Strahlungsintensität und der Zerfallswärme. Daher ist das Verständnis des Aerosol-Abwaschverhaltens wichtig für die Bewertung des Quellterms. Der Abwasch-Prozess unlöslicher Aerosole hängt von der Kondensatströmung und der Aerosol Charakteristik ab. Das bereits bestehende AULA Modell im COCSYS Code ist ein angemessener Modellierungsansatz für den Abwasch-Prozess unlöslicher Aerosole. Allerdings hat die Kondensatströmung einen signifikanten Einfluss auf die Effizienz des Abwasch-Prozesses. Es ist notwendig, jeweils ein Modell zur Beschreibung der Kondensatströmung und für die Benetzung der schrägen Wände zu entwickeln, welche anschließend in COCOSYS implementiert werden können. Weiterhin sollte das aktuelle Aerosol Abwasch-Modell AULA die Neigung der Wand sowie Kohäsionseffekte für die Bewertung des Aerosol Erosionsprozesses berücksichtigen. In dieser Dissertation wird ein neuer Modellansatz zur Beschreibung der Kondensatströmung vorgestellt, in welchem verschieden Formen der Kondensatströmung berücksichtig werden. Zur Bestimmung der Tropfengeschwindigkeit werden das innere Strömungsfeld im Tropfen, der dynamische Kontaktwinkel, sowie der Marangoni Effekt berücksichtigt. Um den Übergang der Strömungsmuster von Tropfenströmungen zu Rinnsalströmungen zu beschreiben wurde ein neues Kriterium eingeführt. Sowohl das abgeleitete physikalische Modell, als auch die vorgestellte empirische Korrelation, berechnen die Benetzung bezüglich Volumenstrom pro Wandbreite, Kontaktwinkel, Wandneigung und der Fluideigenschaften. Außerdem wird ein Korrekturfaktor für die Wandneigung und die Kohäsion der Partikel aus einer Analyse der Kräfte der Aerosole in einer Kondensatströmung hergeleitet, wodurch das sogenannte kritische Schubspannungsmodell in AULA verbessert wird. Um Testdaten für die Modellvalidierung zu generieren, wird ein neues Experiment mit Wassertropfen auf einer geneigten lackierten Wand durchgeführt. Das Modell für den Beginn der Tropfenbewegung wird mit Hilfe des neuen Experiments bewertet und validiert. Das Modell für die Tropfengeschwindigkeit sowie das Kriterium für den Übergang von Tropfenströmung zu Rinnsalströmung werden ebenfalls anhand dieses Experiments validiert. Das Modell für die Benetzung wird ausführlich anhand von frei zugänglicher Literatur validiert. Außerdem wird das erweiterte Aerosol Abwasch-Modell unter Berücksichtigung der Wandneigung und der Kohäsionseffekte anhand des THAI-AW3-LAB Experiments validiert. Das Aerosol Abwasch Modell AULA wird gekoppelt mit dem neuen Modell für die Benetzung im COCOSYS Code implementiert. Der Modifizierte COCOSYS Code wird mit dem THAI-AW3 Experiment verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung der numerisch berechneten und der experimentell gemessenen Abwascheffizienz erreicht wird. Der modifizierte COCOSYS Code wird im sogenannten „Generic Containment“ angewandt. Die Diskreditierung (basierend auf dem SARNET2 Benchmark) wird verfeinert und modifiziert, um Konsistenz mit dem Aerosol Abwasch Modell zu erreichen. Für das ausgewählte schwere Unfallszenario wird die Entwicklung der Thermo-hydraulischen Parameter im „Generic Containment“ präsentiert. Dabei zeigt sich, dass das zeitliche Verhalten der Abwascheffizienz stark von der Kondensatströmung abhängt. Die Ergebnisse der Simulation untermauern die Notwendigkeit den COCOYSY Code zu modifizieren.