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Dr. Gunter Gerbeth
Director Institute of Fluid Dynamics
g.gerbethAthzdr.de
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Fax: +49 351 260 - 3440

Dr. Gerd Mutschke
Institute of Fluid Dynamics
g.mutschkeAthzdr.de
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Fax: +49 351 260 - 12480

Petra Vetter
Secretary Institute of Fluid Dynamics
p.vetterAthzdr.de
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Partner

Teilprojekte

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf:
Entwicklung von CFD-Modellen für Wandsieden und Entwicklung hochauflösender, schneller Röntgentomographie für die Analyse von Zweiphasenströmungen in Brennstabbündeln

Basierend auf der experimentellen Aufklärung der lokalen Mikrophänomene durch die Projektpartner werden die bestehenden Modellansätze für das Wandsieden weiter entwickelt und validiert. Ein wichtiger Parameter für das Verhalten der Zweiphasenströmung ist die Zwischenphasengrenzfläche. In enger Kooperation mit ANSYS Germany ist die Kopplung des Wandsiedemodells mit dem Multiple Bubble Size Group (MUSIG) Modell und anderen Ansätzen zu validieren. Um den Prozess des Siedens realistisch zu untersuchen, ist die instationäre Wärmeleitung in der Wand in das Modell einzubeziehen. In einem nachfolgenden Arbeitsschritt ist die Ableitung lokaler Kriterien für das Einsetzen des Filmsiedens vorgesehen.
HZDR übernimmt den Aufbau und die Durchführung eines Bündelexperiments (3 x 3 Heizstäbe) an der Thermohydraulik-Großversuchsanlage TOPFLOW sowie die Adaption und Anwendung der ultraschnellen Elektronenstrahl-Röntgentomographie zur bildgebenden Vermessung von Siedevorgängen in beheizten Bündeln. Mit den geplanten experimentellen Untersuchungen sowie der neuartigen Tomographietechnik wird es erstmalig möglich, transiente Vorgänge beim Sieden in bisher nicht erreichter räumlich-zeitlicher Detailauflösung darzustellen.

Hochschule Zittau/Görlitz (HSZG)
Experimentelle Untersuchung von Siedevorgängen mit optischen Verfahren und Parameterbestimmung für CFD-Rechnungen an kleinskaligen Versuchsständen

Die dafür vorgesehene Messtechnik umfasst (in Ergänzung zu klassischen Messsystemen wie z. B. Thermoelementen):

  • optische Methoden mit High Speed- und Infrarot-Kameras incl. Methoden der Digitalen Bildverarbeitung (DBV)
  • Mikro-PIV (Particle Image Velocimetry) und Optische Kohärenztomographie (gemeinsame Betreuung des Doktoranden und Zusammenarbeit mit TUD, Klinisches Sensoring und Monitoring an der Medizinischen Fakultät Carl-Gustav-Carus)

Technische Universität Dresden, Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus (TUD-MF)
Untersuchung von Siedevorgängen mittels PIV und Optischer-Kohärenz-Tomographie

Die Arbeitsgruppe Klinisches Sensoring und Monitoring (KSM) an der Technischen Universität Dresden hat langjährige Erfahrungen mit der Anwendung der Optische-Kohärenz-Tomographie (OCT) in der biomedizinischen Forschung. Dieses optische Messverfahren  wird für industrielle Anwendungen weiterentwickelt und soll für mikroskopische Untersuchung von Siedevorgängen eingesetzt werden.

Technische Universität Dresden, Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik (TUD-WKET)
Experimentelle Untersuchung des Einflusses reaktorspezifischer Kühlmittelzusätze auf Siedevorgänge

Die Wirkung DWR-spezifischer Kühlmittelzusätze auf das Siedeverhalten an beheizten metallischen Wänden soll experimentell untersucht, und es sollen die Ergebnisse für die Modellbildung aufbereitet werden. Hierfür wird eine neue Versuchsanlage konzipiert und errichtet, mit der  diese Wechselwirkungen sowohl in Einzelstab- als auch in Stabbündelgeometrien untersucht werden können. Als Messverfahren kommen optische Verfahren sowie die im FZD entwickelte Gittersensortechnik zur Anwendung.

Technische Universität München, Lehrstuhl für Thermodynamik (TUM-TD)
Einfluss von Turbulenz und Sekundärströmungen auf das unterkühlte Strömungssieden in reaktortypischen Konfigurationen

Mit Hilfe kleinskaliger Experimente unter Einsatz holographischer Messverfahren werden Siedephänomene beobachtet. Hierfür wird eine Siedeanlage aufgebaut, die mit einem Kältemittel betrieben wird und welche reaktortypische Fälle nachbildet. Mit dieser Anlage wird das unterkühlte Sieden im gesamten Bereich zwischen dem Einsetzen und der Siedekrise untersucht, wobei sowohl Sonden als auch optische und holographische Verfahren eingesetzt werden sollen. Dabei soll einerseits gezeigt werden, wie die Freistromturbulenz und die Sekundärströmungen den Siedevorgang beeinflussen und andererseits sollen Daten gewonnen werden, die in anderen Teilprojekten als Validierungsdaten genutzt werden können.

Technische Universität Dresden, Institut für Strömungsmechanik (TUD-ISM)
Turbulenz und Blasendynamik

Mittels Large Eddy Simulation (LES) soll geklärt werden, ob auf der Reynolds-Mittelung basierende Turbulenzmodelle für die Beschreibung der Zweiphasigen Strömungsvorgänge in Rohrbündelgeometrien geeignet sind. In einem zweiten Vorhabensteil sollen mit Hilfe von Direkter Numerischer Simulation von Einzelblasen Erkenntnisse für die Simulation turbulenter Mehrphasenströmung abgeleitet werden, die bei der Modifikationen von RANS Ansätzen zur Anwendung kommen. Den Schwerpunkt bilden dabei Impuls-, Wärme- und Masseaustausch beim Sieden, die Blasendynamik, sowie die Blasen-Blasen- und Blasen-Strömungs-Wechselwirkungen.

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Validierung von Unterkanal- und CFD-Programmen anhand von Brennstab-Bündelversuchen

Das Vorhaben konzentriert sich auf die CFD-Simulation der Zweiphasenströmung und die Validierung von physikalischen Modellen zur Beschreibung des Queraustausches und des kritischen Wärmestromes (Critical Heat Flux, CHF) in Stabbündelgeometrien. Hierzu sollen insbesondere Modelle für den Queraustausch zwischen Untenkanälen und CHF verbessert und validiert werden. Die Validierung erfolgt auf der Grundlage von früheren experimentellen am Forschungszentrum Karlsruhe durchgeführten Untersuchungen zu CHF in Stabbündeln, in denen das Modellfluid Frigen R12 eingesetzt wurde.

Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft, AG Reaktorsimulation und -sicherheit (RUB)
Übertragung der CFD-Wandsiedemodelle zur Anwendung in Lumped Parameter-Codes zur Beurteilung der RDB-Außenkühlung

Ausgehend von der Verbesserung der CFD-Modellierung von Siedevorgängen an beheizten Oberflächen bis hin zur Siedekrise wird die Nutzbarkeit für die Modellierung der Reaktordruckbehälter-Außenkühlung für Systemcodes wie z.B. ATHLET-CD analysiert und bewertet. Hierauf aufbauend soll ein Modell zur RDB-Außenkühlung für einen Lumped Parameter-Code entwickelt und in diesen implementiert werden. Schließlich sind die entwickelten Modelle anhand verfügbarer Daten oder Experimente zu validieren.

ANSYS Germany
CFD-Modellentwicklung und Validierung für die 3-dimensionale Simulation von Siedevorgängen in Brennelementen von Druckwasserreaktoren

Die von den Partnern ausgeführten kleinskaligen und integrativen TOPFLOW-Experimente werden eingesetzt, um die CFD-Modelle für die numerische Simulation von Wandsiedeprozessen in Brennelementen von Druckwasserreaktoren zu verbessern. Schwerpunkt liegt hierbei auf der Kopplung von Wandsiedemodell und Wärmeleitung im Festkörper(CHT) der Kopplung des RPI-Wandsiedemodells mit Populationsbilanzmodellen, der Erweiterung des Wandwärmestrommodells im RPI-Wandsiedemodell sowie auf einer Verbesserung der CFD-Modellierung der Zwischenphasengrenzflächendichte und der wirkenden fluiddynamischen Kräfte zwischen beiden Phasen beim Übergang zwischen verschiedenen Strömungsregimen mit zunehmendem Dampfgehalt.