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Pavel Apanasevich
Computational Fluid Dynamics
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Phasenübergang an freien Grenzflächen

In der Natur und vielen energie- und verfahrenstechnischen Anwendungen kommen zweiphasige Strömungen mit Wasser-Luft- oder Wasser-Dampf-Gemischen vor. In Abhängigkeit von Massenströmen, Geometrie oder Stoffeigenschaften können verschiedene Strömungsformen auftreten.
Diese Arbeiten beziehen sich speziell auf stratifizierte Strömungen in horizontalen Kanälen, wobei der Phasenübergang durch die Kondensation an einer freien horizontalen Oberfläche im Zentrum der Untersuchung steht. Direktkontaktkondensation (DCC) unterscheidet sich von der Film- oder Oberflächenkondensation bekanntermaßen durch einen wesentlich geringeren thermischen Widerstand zwischen den austauschenden Fluiden. Infolgedessen bietet DCC einen besseren Wärmeaustausch zwischen den Phasen. Der Wärmetransport bei DCC hängt in geschichteten (stratifizierten) Zweiphasenströmungen im Wesentlichen von den Turbulenztransportmechanismen der flüssigen Phase ab.
DCC wird beispielsweise in Wärmetauschern (z.B. Direktkontaktkondensatoren) genutzt, die sich durch eine sehr hohe Effektivität kennzeichnen. Thermohydraulische Vorgänge bei der Notkühlung eines Kernreaktors nach einem Kühlmittelverluststörfall stellen ein weiteres Beispiel dar, in dem DCC zu einem der wichtigsten sicherheitsrelevanten physikalischen Phänomenen gehört (Pressurized Thermal Shock). Daher kommt der Modellierung von Direktkontaktkondensation eine große Bedeutung zu. Eine erfolgsversprechende Modellierung setzt Kenntnisse über 3D Strömungsstrukturen (Geschwindigkeits- und Turbulenzfelder) voraus. Diese erforderlichen Informationen können nur die CFD-Methoden liefern. Das Ziel des Projektes besteht deshalb in der Ertüchtigung von CFD-Modellen für Wasser-Dampf-Strömungen mit Phasenübergang an freien Oberflächen.

Direktkontaktkondensation wird mittels einer DNS-Methode sowie Experimenten (TOPFLOW-PTS Experimente) untersucht. Anschließend wird ein Modell zur CFD Modellierung der Direktkontaktkondensation entwickelt und in das Algebraic Interfacial Area Density Model (AIAD) implementiert.

 
  Abb. 1: CFD Simulation von TOPFLOW-PTS Dampf/Wasser Experiment: Temperaturverteilung und Wasserströmungslinien
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Abb. 2: CFD Simulation von TOPFLOW-PTS Dampf/Wasser Experiment: Dampfkondensation auf einer unterkühlten Wasseroberfläche (Wasseroberfläche ist durch eine Isofläche (Volume Fraction=0.5) dargestellt)
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Publikationen

  • Apanasevich P., Lucas, D., Beyer, M., Szalinski, L., CFD based approach for modeling direct contact condensation heat transfer in two-phase turbulent stratified flows,
    International Journal of Thermal Sciences 95 (2015) 123-135 
  • Apanasevich, P., Coste, P., Niceno, B., Heib, C., Lucas, D., Comparison of CFD simulations on two-phase Pressurized Thermal Shock scenarios,
    Nuclear Engineering and Design 266 (2014) 112-128 
  • Apanasevich, P., Lucas, D., Seidel, T., Numerical simulations of condensing steam-water flow, 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-15),
    Pisa, Tuscany, Italy, 12-17 May, 2013, paper 270
  • Deendarlianto, Höhne, T., Apanasevich, P., Lucas, D., Vallée, C., Beyer, M., Application of a new drag coefficient model at CFD-simulations on free surface flows relevant for the nuclear reactor safety Analysis, Annals of Nuclear Energy 39 (2012) 70-82
  • Apanasevich, P., Lucas, D., Höhne, T., Numerical simulations of the TOPFLOW-PTS steam-water experiment, 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics
    (NURETH-14), Hilton Toronto Hotel, Toronto, Ontario, Canada, September 25-29, 2011, paper No. 362

  • Apanasevich, P., Lucas, D., Höhne, T., Pre-test CFD simulations on TOPFLOW-PTS experiments with ANSYS CFX 12.0,
    Workshop on Experimental Validation and Application of CFD and CMFD Codes to Nuclear Reactor Safety Issues (CFD4NRS), Washington D.C., USA, 14-16 September, 2010


Danksagung

Die Arbeiten werden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie unter der Programmnummer 150 1411 gefördert.


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