Entwicklung und Validierung des Druckstoßprogramms DYVPRO Mod. 3

Druckstöße entstehen in Rohrleitungssystemen immer dann, wenn ein Fluid (z. B. eine Flüssigkeit oder ein Gas) durch das plötzliche Öffnen oder Schließen einer Armatur, die Änderung der Drehzahl einer Pumpe, in Folge von Rohrleitungsbrüchen usw. beschleunigt oder abgebremst wird. Hierbei entstehen Druckwellen, die erhöhte Innendrücke verbunden mit mechanischen Spannungen in den Rohrleitungswänden sowie zeitabhängige axiale Kräfte auf Rohrleitungen und deren Halterungen hervorrufen können. Durch Reflexionen der Druckwellen können Unterdrücke entstehen, die bei Unterschreiten des lokalen Sättigungsdrucks zur Bildung von Dampfblasen (Kavitation) führen können. Bei dem Zusammenfall der Dampfblasen können weitere, sekundäre Druckstöße auftreten, die die primären Druckwellen überlagern. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Druckwellen hängt zum einen von den Eigenschaften des Fluids (speziell dessen Kompressibilität und Dichte) und zum anderen von den mechanischen Eigenschaften des Rohrleitungssystems (Elastizitätsmodul und Querkontraktionszahl) sowie dessen Geometrie (Durchmesser des Rohrs und Wanddicke) ab. Druckstöße sind oftmals die Ursache für Beschädigungen an Rohrleitungen und Rohrleitungshalterungen und stellen daher für viele verfahrenstechnische Anlagen ein Problem dar.

Die TÜV NORD SysTec GmbH & Co. KG beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der Berechnung von Druckstößen in Kraftwerken und speziell in Kernkraftwerken. Hierzu hat sie das Druckstoßprogramm DYVRO entwickelt und qualifiziert. Der vorliegende Beitrag be¬schreibt die nun hinsichtlich des verwendeten partiellen Differentialgleichungssystems und der eingesetzten Numerik überarbeitete Programmversion DYVRO Mod. 3 und deren Validierung anhand repräsentativer Experimente (u. a. anhand des Simpson-Experiments sowie anhand eines Versuches an der Cold Water Hammer Test Facility). Die Ergebnisse der Validierungsrechnungen werden anschließend mit eigenen oder fremden Rechnungen mit Systemcodes (hier ATHLET und RELAP) sowie dem Druckstoßprogramm WAHA verglichen. Bei diesen Vergleichen werden u. a. die Ergebnisse des im 5. EU-Rahmenprogramm geförderten Forschungsvorhabens WAHALOADS mit einbezogen. Die Vergleiche zeigen eine sehr gute Übereinstimmung der Rechenergebnisse von DYVRO mit den Experimenten sowie den Ergebnissen des WAHA-Codes. Die Ergebnisse der Druckstoßcodes WAHA und DYVRO sind – sowohl im einphasigen als auch im zweiphasigen Bereich - deutlich besser als die der Systemcodes. Unsere Analysen belegen, dass DYVRO Mod. 3 dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik entspricht.