Entwicklung eines CFD-Modells für Wasserabscheidung an einer gegengerichteten Wasser-Luft Schichtenströmung

Abstract

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die numerische Beschreibung der vor- herrschenden physikalischen Phänomene einer gegengerichteten Wasser-Luft- Schichtenströmung. Dabei sind die auftretenden Interkationen an der freien Oberfläche in vielen industriellen Anwendungen, vor allem in der Reaktorsicherheit von enormer Tragweite. Ausgehend von einer welligen freien Oberfläche, können Tropfen den Wasserfilm verlassen, wenn die Scherkräfte die stabilisierenden Oberflächenkräfte überwiegen. Diese Tropfen können in den Wasserfilm zurückkehren oder mit der Gasströmung weiter transportiert werden. Ein Phasenwechselwirkungsmodell für die Flüssigkeitsabscheidung in einer turbulenten Schichtenströmung von Luft und Wasser im Gegenstrom, wird für die Simulation der Phänomene im Primärkreislauf vorgestellt. Damit kann die Simulation von Wassermitriss bei Gegenströmung im Heißen oder Kalten Strang oder im Pumpenbogen dargestellt werden. Dieses Modell beruht auf einer dreidimensionalen Dreifluid-Formulierung der Schichtenströmung, in der eine Tropfenphase zusätzlich zu den kontinuierlichen Gas- und Flüssigkeitsphasen, durch die Erhaltungsgleichungen für Masse und Impuls beschrieben werden kann. Entrainment- und Absetzungsvorgänge der Tropfen werden anhand lokaler Strömungsgrößen mechanistisch erfasst und eine kritische Relativgeschwindigkeit für horizontale und gengeigte Wasserfilme hergeleitet. In der Dreifluid-Formulierung wird der ausgetauschte Impuls zwischen der kontinuierlichen Gas- und Flüssigkeitsphase, ausgehend von einem zuvor entwickelten Modell für die Impulsübertragung, und die Turbulenz in Schichtenströmungen mit welliger, turbulenter Oberfläche formuliert. Dabei wird die Neigung der freien Oberfläche herangezogen. Darüber hinaus wurde die Anzahl- dichte der Tropfen anhand einer Transportgleichung unter Berücksichtigung der Geburts- und Vernichtungsrate der Tropfen modelliert. Mit dem entwickelten Modell wurden erfolgreich theoretische Testfälle berechnet, in denen geeignete Modellparameter im Einklang mit den hochauflösenden Aufnahmen ermittelt worden sind. Das Dreifluid-Modell gibt die beobachteten Mechanismen der Entstehung und Absetzung der Flüssigkeitstropfen in den durchgeführten experimentellen Arbeiten am WENKA-Versuchstand wieder. Die Anwendung des Dreifluid-Modells an schießenden Strömungen ohne Tropfenabriss wurde überprüft und die berechneten Verläufe des Gasvolumenanteils, der Geschwindigkeiten und der turbulenten kinetischen Energie mit den experimentellen Daten verglichen. Die Skalierbarkeit des entwickelten Modells wurde anschließend durch den Vergleich mit der gewonnenen Flutkorrelation aus den UPTF-Experimenten überprüft.

Counter-current flows of water and steam are very common two-phase flow patterns in the coolant loops of a nuclear power plant. The knowledge over the behaviour of the fluids in such flow patterns is important for assessing nuclear reactor safety and furthermore relevant for several industrial applications. Outgoing from a wavy free surface, drops can leave the liquid film if the shear forces dominate the stabilising surface forces. These drops may return into the liquid film or are transported by the carrier gas flow. A three-fluid model of counter-current air-water flow is suggested. The accurate prediction of droplet entrainment in two-phase flows is relevant to calculate interfacial exchange between the fluids. Thereby the prediction of water entrainment in counter current flows in the hot or cold leg or also in the pump loop will be enabled. The present work delivers a model based on the constitutive physics for droplet separation considering the deposition of the dispersed water droplets into the continuous water film. A monodisperse distribution of the droplets is taken into account by means of a transport equation for the droplet number density in order to determine the droplet size. Switching from a two-fluid model to a three- fluid approach of two-phase flows necessitates the knowledge of the amount of mass entrained from the water film to the droplets and their deposition rate on the water film. It requires the development of an inception criterion for droplet separation based on force balancing for any inclination of the film. A more careful investigation of the transport processes compared with available models based on formulation in terms of dimensionless groups present in the literature has been carried out. The interaction between the continuous liquid and gas phases has been written in terms of an already evolved model for momentum transfer and turbulence in stratified flows with wavy and turbulent free surface. Latter has been adjusted to take into account the wave inclination toward the gravity direction. With the developed model theoretical test cases have been calculated success- fully, in which suitable model parameters have been ascertained by means of high-resolution videometrical results. The three-fluid-model reproduces the observed mechanisms of entrainment and deposition of the liquid drops in the carried in the WENKA-test facility. Moreover the model has been applied for supercritical flows without droplet entrainment. The calculated profiles for void, velocity and turbulent kinetic energy have been compared to the experimental data. At last but not least, the scalability of the developed model has been verified by comparison with the flooding correlation from the UPTF experiments.