Experimentelle Untersuchung geschichteter Zweiphasenströmungen in rechteckigen Kanälen

Die Entwicklung und Validierung von CFD-Codes (computational fluid dynamics) für zweiphasige Anwendungsfälle, wie sie in der Reaktorsicherheit vorkommen, erfordern dedizierte experimentelle Daten. Mit diesem Hintergrund wurden im Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) geschichtete Gas/Flüssikeits-Strömungen in verschiedenen Versuchsanlagen mit horizontalen Teststrecken untersucht. Diese Kanäle wurden mit rechteckigem Querschnitt konstruiert, um optimale Beobachtungsbedingungen für die Anwendung optischer Messmethoden zu erreichen. So wurde die lokale Strömungsstruktur mit einer Hochgeschwindigkeitskamera visualisiert, welche die für die CFD-Validierung benötigten Daten mit hoher räumlicher sowie zeitlicher Auflösung liefert.

Generische Gleichstromexperimente wurden im Strömungskanal HAWAC (Horizontal Air/Water Channel) mit Luft und Wasser bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur durchgeführt. Der hydraulische Sprung, der den quasistationären diskontinuierlichen Übergang zwischen schießender und Flussströmung darstellt, wurde in diesem geschlossenen Kanal studiert. Zudem wurde das zur Schwallströmung führende instabile Wellenwachstum vom Teststreckeneintritt an untersucht. Für quantitative Analysen der optischen Messungen wurde ein Algorithmus entwickelt, um die stratifizierte Phasengrenze in den Kamerabildern zu erkennen und damit statistische Auswertungen für den Vergleich mit Ergebnissen aus CFD-Rechnungen zu ermöglichen. Anwendungsnahe Untersuchungen erfolgten im Heißstrangmodell der TOPFLOW-Anlage. Dieser Versuchsaufbau wurde in einer Druckkammer installiert, um es auch bei reaktortypischen Bedingungen im Druckgleichgewicht mit der Innenatmosphäre des Druckbehälters betreiben zu können. Die Teststrecke bildet ein flaches Modell des heißen Strangs eines deutschen Konvoi Druckwasserreaktors (DWR) im Maßstab 1:3 nach und ist für visuelle Beobachtungen mit großflächigen Glaswänden ausgestattet. Die Experimente erfolgten mit Luft und Wasser bei Raumtemperatur und Drücken von maximal 3 bar sowie mit Dampf und Wasser bei bis zu 50 bar und 264°C. Es werden Ergebnisse aus Gleichstromexperimente präsentiert, die den zweiphasigen Naturumlauf im Primärkreislauf eines DWRs simulieren. Zudem wird detailliert auf das Flutverhalten des Heißstrangmodells eingegangen, welches bei speziellen Gegenstrombegrenzungsexperimenten untersucht wurde. Nicht zuletzt weisen verschiedene Vergleichsbeispiele zwischen Experiment und Simulation nach, welche Möglichkeiten die Daten für die Unterstützung der CFD-Entwicklung und Validierung bieten.