TOPFLOW-Experimente, Modellentwicklung und Validierung von CFD-Codes für Wasser-Dampf-Strömungen mit Phasenübergang

Das Ziel des Vorhabens bestand in der Ertüchtigung von CFD-Codes für Wasser-Dampf-Strömungen mit Phasenübergang. Während CFD-Verfahren für einphasige Strömungen bereits breite Anwendung in der Industrie finden, steht ein entsprechender Einsatz für Zweiphasenströmungen auf Grund der komplexen Phasengrenzfläche und den davon beeinflussten Wechselwirkungen erst am Anfang. Für die Weiterentwicklung und Validierung geeigneter Schließungsmodelle werden experimentelle Daten mit hoher Orts- und Zeitauflösung benötigt. Solche Daten wurden an der TOPFLOW-Versuchsanlage des HZDR durch Kombination von Experimenten bei praxisnahen Parametern für die Reaktorsicherheit (große Skalen, hohe Drücke und Temperaturen) und innovativer Messtechnik gewonnen. Die Gittersensortechnik, mit der detaillierte Informationen über die Phasengrenzfläche gewonnen werden können, wurde in adiabaten Wasser-Luft-Experimenten sowie Kondensations- und Druckentlastungsexperimenten in einem großen DN200-Rohr eingesetzt. Umfangreiche Datenbasen mit hoher Qualität stehen im Ergebnis des Vorhabens zur Verfügung. Die Technologie für die schnelle Röntgentomographie, die Messungen ohne Strömungsbeeinflussung ermöglicht, wurde weiter entwickelt und in einer ersten Messserie erfolgreich eingesetzt. Hochaufgelöste Daten wurden auch in Experimenten zu verschiedenen Strömungssituationen (z. B. Gegenstrombegrenzung) in einem Modell des heißen Strangs eines Druckwasserreaktors gewonnen. Für die Wasser-Dampf-Experimente bei Drücken von bis zu 5 MPa wurde dabei erstmals die neu entwickelte innovative Drucktanktechnologie eingesetzt. Zur Ertüchtigung von CFD-Codes für Zweiphasenströmungen wurde das Inhomogene MUSIG-Modell für Phasenübergänge in Kooperation mit ANSYS erweitert und anhand der o.g. TOPFLOW-Experimente validiert. Außerdem erfolgten Verbesserungen u. a. für die Turbulenzmodellierung in Blasenströmungen sowie Simulationen zur Validierung der Modelle für Blasenkräfte und Blasenkoaleszenz und -zerfall. Ein wesentlicher Fortschritt wurde bei der Modellierung freier Oberflächen durch die Verallgemeinerung des AIAD-Modells erreicht. Die am Heißstrangmodell ermittelten Flut¬kurven können unter Nutzung dieses Modells in guter Übereinstimmung berechnet werden.