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Prof. Dr. Uwe Hampel
Head Experimental Thermal Fluid Dynamics
u.hampel@hzdr.de
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Fax: 12772, 2383

Dr. Gregory Lecrivain
Experimental Thermal Fluid Dynamics
g.lecrivainAthzdr.de
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Thomas Barth
Deposition and resuspension of aerosol particles in turbulent flows
Experimental Thermal Fluid Dynamics
t.barthAthzdr.de

Deposition und Resuspension von Aerosolpartikeln in turbulenten Strömungen

Im Rahmen der nuklearen Sicherheitsforschung wird das Transportverhalten von Aerosolpartikeln in turbulenten Strömungen untersucht. Hintergrund ist die Sicherheitsbewertung für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren. In solchen Kernreaktoren kann es zur Entstehung von radioaktiv kontaminiertem Graphitstaub aufgrund von Abriebprozessen an graphitischen Kernstrukturen und Spaltstoffkugeln (Pebbles) im Primärkreislauf kommen. Für die sicherheitstechnische Bewertung eines HTR ist es von zentraler Bedeutung, das Depositions- und Resuspensionsverhalten des Graphitstaubs vorhersagen zu können. Im Rahmen der EU-Projekte ARCHER und THINS werden dazu experimentelle Grundlagenstudien durchgeführt.

Abb.1: Schematische Darstellung des Gas Particle Loop und Instrumentierung.

Zur systematischen Untersuchung von Einzeleffekten wurden zwei kleinskalige Versuchsanlagen aufgebaut. Am Gas-Particle-Loop (Abb. 1) werden Aerosolartikel in eine horizontale turbulente Kanalströmung dispergiert und das Depositions- und Resuspensionsverhalten der Partikel unter wohl definierten strömungsmechanischen Randbedingungen untersucht. Die turbulente Strömung wurde mittels eines Particle Image Velocimetry System vermessen (Barth et al., 2011). Wandangelagerte Einzelpartikel wurden mittels optischer und Rasterelektronenmikroskopie detektiert und klassiert (Barth, Lécrivain, et al. (2013), Barth, Preuß, et al. (2013)). Ferner wurde die Deposition und Resuspension von Partikel-Multilayern zwischen periodischen Stufen untersucht, um die Wechselwirkung zwischen der turbulenten Strömung und den Partikeln in einer komplexen Geometrie zu studieren (Barth, Reiche, et al., 2013).

Abb.2: Schematische Darstellung des Pebble Bed Loop und Messprinzip der Positronen-Emissions-Tomographie.

An der Versuchsanlage Pebble-Bed-Loop wird das Staubtransportverhalten in einer HTR-ähnlichen Kugelschüttung untersucht (Abb. 2). Mittels der Positronenemissionstomographie (PET) konnten dabei erstmalig Staubablagerung und Resuspension mit hoher räumlicher Auflösung quantitativ vermessen werden. Dazu wurden die Staubpartikel mit einem beta-Strahler radioaktiv markiert und die räumliche Verteilung zeitaufgelöst mittels der PET vermessen (Barth et al., 2013b).

Die experimentellen Arbeiten werden durch numerische Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics - CFD) und Methodenentwicklungen komplementär begleitet. Beispielsweise wurde über ein Mehrschichtenmodell die anisotrope Turbulenz im Wandbereich erfolgreich in eine CFD-Simulation implementiert und die experimentell bestimmten Depositionsraten mit guter Übereinstimmung berechnet (Lecrivain & Hampel, 2012). Des Weiteren kann bereits der Multilayer-Schichtdickenaufbau zwischen den periodischen Stufen über eine adaptive Gittergenerierung sehr genau berechnet werden (Lecrivan et al., 2013). Die vorhandene Datenbasis gibt einen neuen Einblick in die komplexen Transportvorgänge von Aerosolpartikeln in turbulenten Strömungen und dient als Grundlage für die Entwicklung numerischer Modelle für die sicherheitstechnische Bewertung gasgekühlter HTR.

Referenzen

  • Barth, T., Banowski, M., & Hampel, U. (2011).
    PIV measurements on the formation of the flow field and aerosol particle distribution in a turbulent square duct flow (Vol. 9).
    WIT Press, Southampton, Boston.
  • Barth, T., Lécrivain, G., & Hampel, U. (2013).
    Particle deposition study in a horizontal turbulent duct flow using optical microscopy and particle size spectrometry.
    Journal of Aerosol Science.
  • Barth, T., Ludwig, M., Kulenkampff, J., Gründig, M., Franke, K., Lippmann-Pipke, J., & Hampel, U. (2013b).
    Positron emission tomography in pebble beds, part 1: liquid particle deposition.
    Nuclear Engineering and Design.
  • Barth, T., Preuß, J., & Hampel, U. (2013).
    Single particle resuspension experiments in turbulent channel flows.
    In 8th International Conference on Multiphase Flow, Jeju, Korea.
  • Barth, T., Reiche, M., & Hampel, U. (2013).
    Experimental investigation of multilayer particle deposition and resuspension between periodic steps in turbulent flows.
    Journal of Aerosol Science, accepted for publication.
  • Lecrivain, G. & Hampel, U. (2012).
    Influence of the Lagrangian Integral Time Scale Estimation in the Near Wall Region on Particle Deposition.
    J. Fluids Eng. 134(7),
  • Lecrivain, G., Drapeau-Martin, S., Barth, T. & Hampel, U. (2013).
    Numerical simulation of multilayer deposition in an obstructed channel flow.
    Advanced Powder Technology.

Förderung

Europäische Komission, Projekt THINS, grant agreement no. 249337, Feb. 2010 – Feb. 2014.
Europäische Komission, Projekt ARCHER, grant agreement no. 269892, Feb. 2011 – Feb. 2015.


Kooperationen

TUD, NRG, KIT, ICL


Weiterführende Links

http://www.archer-project.eu
http://www.ifrt.kit.edu/thins



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