Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-11447
Authors: Isaev, Alexander
Title: Experimentelle und numerische Untersuchung von Strömungsvermischungsvorgängen in einem Rohrleitungs-T-Stück
Issue Date: 2021
Publisher: Stuttgart : Institut für Kernenergetik und Energiesysteme
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
metadata.ubs.publikation.seiten: XIV, 202
Series/Report no.: IKE (Institut für Kernenergetik . Bericht);8-135
URI: http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/11464
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-114649
http://dx.doi.org/10.18419/opus-11447
ISBN: 0173-6892
Abstract: Die vorliegende Forschungsarbeit befasst sich im Rahmen der Reaktorsicherheitsforschung mit grundlegenden experimentellen und numerischen Untersuchungen zur Ausbildung von Strömungsformen im Vermischungsbereich eines Rohrleitungs-T-Stücks. Der Hintergrund der Arbeit ist die reaktorsicherheitstechnische Fragestellung nach den Ursachen für das Auftreten von Ermüdungsphänomenen in Rohrleitungssystemen von Kernkraftwerken, die zu Fehlfunktionen oder Schädigungen in den Komponenten von Kühlkreisläufen führen können. Strömungsformen, die sich unter dem Einfluss von Turbulenz und Schwerkraft aufgrund hoher Temperaturdifferenzen ausbilden, können für die strömungsinduzierte Schädigung des Rohrleitungsmaterials verantwortlich sein. Stellvertretend für eine Strömung mit thermischer Vermischung wird die Strömung mit und ohne Dichteschichtung nahe einer generischen Einspeisestelle (horizontales T-Stück) in dem isotherm betriebenen MFI (engl. Mixed-Fluid-Interaction)-Teststand experimentell untersucht. Im MFI-Teststand können entsprechende Dichteunterschiede in den beiden Zuflüssen des T-Stücks mithilfe einer aufbereiteten wässrigen Salz- oder Zuckerlösung höherer Dichte eingestellt werden. Hierzu wird im Rahmen dieser Arbeit eine Möglichkeit zur Umrechnung der relevanten physikalischen Strömungsgrößen demonstriert, die auf der Verwendung von drei bzw. zwei dimensionslosen Kennzahlen basiert. Damit lassen sich Beobachtungen und Erkenntnisse der Strömungsvermischungscharakteristiken aus einer isothermen Vermischung auf einen thermischen Strömungsvermischungsvorgang übertragen. Dieser Sachverhalt ermöglicht es mithilfe von isothermen Experimenten die hydraulischen Randbedingungen für die thermischen experimentellen Untersuchungen zu identifizieren, bei denen das Risiko für eine lokale thermische Materialermüdung erhöht ist. Damit lassen sich Zeit und Kosten für die Versuchsplanung und Versuchsdurchführung für thermischer Experimente senken. Des Weiteren kompensiert die Visualisierung der thermischen Vermischungsvorgänge mithilfe der isothermen Experimente das Defizit der optischen Zugänglichkeit in der Nutzung von thermisch betriebenen Testständen. Umfangreiche qualitative experimentelle Untersuchungen zeigen auf, unter welchen Bedingungen sich eine Strömungsform mit stromauf- und abwärts gerichteter Dichteschichtung ausbildet und welche Stabilitätseigenschaften diese gegenüber der Veränderung der Randbedingungen hat. Des Weiteren erfolgen quantitative und qualitative Untersuchungen der Strahlausbildung sowie deren Einfluss auf das stromab- und stromaufgerichtet Strömungsschichtungsverhalten mittels optischer Mess- und Visualisierungstechnik. Der zusätzliche Einsatz der Gittersensormesstechnik liefert zudem zeitlich hochaufgelöste Strömungsquerschnittsstatistiken. Diese Daten ermöglichen es Strömungscharakteristiken im Hinblick auf das Risiko einer strömungsinduzierten thermischen Ermüdung des Rohrleitungsmaterials in einer ähnlichen thermischen Vermischung zu analysieren. Die beobachteten Strömungsformen werden in dimensionslosen Strömungsformkarten zusammengefasst. Mit den durchgeführten experimentellen Untersuchungen wird auf der einen Seite ein Beitrag zur Vorhersage von Strömungsformen geleistet, auf der anderen Seite fließen die experimentellen Daten in die Validierung, der im Rahmen der Arbeit durchgeführten Strömungssimulationen ein. Parallel zur experimentellen Untersuchung wird die Strömung und ihre Stabilität mit dem CFD-Simulationsprogramm OpenFOAM unter Anwendung der Grobstruktursimulation (engl. Large-Eddy Simulations-methode (LES)) berechnet. Mittels LES-Simulationen lässt sich die Analogie zwischen isothermen und thermischen Vermischungsvorgängen überprüfen und damit die Übertragbarkeit der isothermen experimentellen Ergebnisse auf thermische Versuche belegen. Die zusätzliche Identifizierung der Ursache für das Auftreten dominanter Mischungsskalarschwankungen leistet einen Beitrag zum Verständnis von turbulenten Strömungsvorgängen mit dem Risikopotential für eine thermische Ermüdung des Rohrleitungsmaterials in der Nähe einer Einspeisestelle. Die numerische Methode zur Nachbildung von thermischen Vermischungsvorgängen wird zudem mit Versuchsergebnissen, die mit der FSI (Fluid-Structure-Interaction)- Versuchsanlage der/des MPA/IKE für kraftwerksnahe Druck- und Temperaturbedingungen erhalten wurden, abgesichert.
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