CFD-Methoden zur Berechnung der kritischen Wärmestromdichte
Hintergrund:
Siedevorgänge treten in technischen Anlagen, an denen hohe Wärmeströme erreicht werden sollen, auf. Dazu zählen Kühlaufgaben für Elektronikkomponenten, Dampferzeuger und im Speziellen Kernkraftwerke. Einer präzisen und gesicherten Beschreibung der auftretenden Wärmeübertragungsprozesse kommt in solchen Analgen eine zentrale sicherheitstechnische Bedeutung zu. In der Vergangenheit wurden bereits Anstrengungen unternommen, um diese komplexen Vorgänge mit den Methoden der computergestützten Fluiddynamik zu simulieren. Die bestehenden Berechnungsalgorithmen sind allerdings nicht vollständig in der Lage, komplexe technische Probleme zu lösen und müssen hinsichtlich ihrer Vorhersagemöglichkeiten verbessert werden. Die theoretische Beschreibung der Siedevorgänge, der dieses Projekt gewidmet ist, leistet damit einen unmittelbaren Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit von Kernkraftwerken.
Zielstellung:
Zur Berechnung des Wärmeübergangs durch Siedevorgänge mittels CFD-Methoden in technischen Systemen werden derzeit entweder „Lumped Parameter Codes“ oder stationäre Euler-Euler Rechenverfahren eingesetzt. Auch in der näheren Zukunft scheint dies der präferierte Weg zu bleiben, da instationäre Methoden mit einer expliziten Berechnung der Phasengrenzen aufgrund der extrem großen Skalenspreizung einen sehr hohen rechentechnischen Aufwand erfordern. Um eine Vereinbarkeit von Recheneffizienz und physikalischer Genauigkeit zu erreichen, ergeben sich für das Projekt zwei Teilziele. Das erste Teilziel besteht aus der Aufklärung der Relevanz instationärer Effekte für das Auftreten der Siedekrise und deren Modellierung in einer für stationäre CFD-Berechnungen kompatiblen Weise. Das zweite Teilziel ist, die bisher üblichen, das Berechnungsergebnis präjudizierten, Annahmen durch besser fundierte physikalische Vorstellungen zu ersetzen.
Methoden und Ergebnisse:
Das geplante Vorhaben verfolgt das Ziel, neuere Ansätze der Euler/Euler-Zweiphasenmodellierung in Richtung der Berechnung von Dampfverteilung und Wärmeübergang nahe und während der Siedekrise weiterzuentwickeln. Dazu wird das RPI-Modell für unterkühltes Sieden zur Beschreibung der Vorgänge bei höheren Wärmeströmen bis hin zu kritischen Siedevorgängen adaptiert. Zusätzlich zu dem bereits existierendem Ansatz der Aufspaltung der eingebrachten Wärme in verschiedene Übertragungsmechanismen werden Beschreibungsgleichungen für die Phasengrenzschicht in Wandnähe hinzugefügt. Für die Beschreibung der Kernströmung wird das am HZDR entwickelte GENTOP-Konzept im Zusammenhang mit dem in ANSYS CFX bereits implementierten Inhomogenen MUSIG-Modell genutzt. Damit lassen sich Strömungsvorgänge mit größeren Gasgehalten im Kernvolumen beschreiben. Ergänzend zu den theoretischen Modellierungsarbeiten werden Experimente zum Strömungssieden in Rohr- und Bündelstrukturen mit Kältemittel- und Wasser/Dampf-Systemen durchgeführt. Diese Arbeiten sollen Aufschluss über das dynamische Verhalten der Dampfverteilung in der Kernströmung für verschiedene thermohydraulische Betriebsbedingungen liefern. Außerdem wird der Einfluss dieser Strömungsgebiete auf das Auftreten der Siedekrise untersucht.
Durch die Zusammenarbeit mit verschiedenen Projektpartnern wird der transiente Übergang von Blasen- zum Filmsieden auf unterschiedlichen Größenskalen untersucht. Diese breit angelegte Datenbasis soll die Entwicklung eines mechanistischen CFD-Siedemodells ermöglichen.
Abb. 1: Vergleich zwischen Modellvorhersagen und Experimentaldaten für den Prozess der Dampfblasenentstehung an einer Heizerfläche.
Abb. 2: Testsektion zur Untersuchung kritischen Siedens. In dem zentralen Heizrohr werden durch direktes elektrisches Beheizen Zustände bis zur Siedekrise erzeugt. Es erfolgt eine bildhafte Wandtemperaturmessung mittel IR-Kamera und Gasphasenmessung mittels Röntgentomographie.
Publikationen:
T. Geißler, 2015
On the influence of local flow structure on the boiling crisis
AMNT 2016, Hamburg, Deutschland
W. Ding, E. Krepper, U. Hampel, 2015
A Mechanistic model to predict the bubble departure in pool and forced convection boiling considering the sublayer
ISACC, Shenzhen, China
W. Ding, E. Krepper, U. Hampel, 2016
Prediction of the bubble departure in pool and forced convection boiling considering the sublayer: a sub model of CFD approaches
ICMF, Italia