CFD Modellierung in der Sicherheitstechnik - Möglichkeiten und Grenzen

Die CFD Modellierung hat Einzug gehalten in die nukleare Sicherheit. CFD-Codes werden erfolgreich eingesetzt, um komplexe Strömungsfelder in ganzen Druckwasserreaktoren zu berechnen. Dabei geht es vornehmlich um die Vermischung von Borsäure bei mit unboriertem Wasser und von kalten Notkühlwasser mit heißem Reaktorkühlmittel. Die Validierung anhand von Versuchen an verhätnismässig grossskaligen Testständen, die mit hochauflösender Leitfähigkeitsmesstechnik ausgestattet sind, zeigt die bereits erreichte hohe Zuverlässigkeit der Vorhersagen im Einphasenbereich. Diese Erkenntnisse können auf chemisch-verfahrenstechnische Anlagen übertragen werden. Beim Übergang zur Zweiphasenströmung treten zusätzliche Schwierigkeiten auf, die mit der Beschreibung der Prozesse an der Phasengrenze und der Modellierung der Topologie und Ausdehnung derselben zusammenhängen. Hierzu werden neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der Zweifluidmodelle für Gas-Flüssigkeitsströmungen vorgestellt. Speziell handelt es sich um das Inhomogeneous MUSIG Model, das Bestandteil des Codes ANSYS CFX ist. Dieser Ansatz erlaubt die Beschreibung der Wechselwirkung mehrerer Blasenklassen unter Berücksichtigung der auf die Blasen wirkenden Kräfte und von Koaleszenz und Zerfall. Das Modell wurde ausgehend von Experimenten an vertikalen Rohrleitungen vorgeschlagen und dann anhand von Messergebnissen validiert. Auch hier kommen Leitfähigkeitssensoren zum Einsatz, die die Struktur der Phasengrenzfläche im gesamten Strömungsquerschnitt hochaufgelöst erfassen. Dabei wurden u. a. Strömungen mit Phasenübergang infolge Kondensation von Dampf an einer unterkühlten Flüssigphase untersucht. Mit solchen Gittersensoren wurden auch komplexe dreidimensionale Gas-Flüssigkeitsströmungen, z.T. bei Drücken bis zu 70 bar und Temperaturen bis 286 °C (Wasser-Dampf) vermessen, die charakteristische Merkmale von Strömungen in technisch relevanten Anlagenteilen aufweisen, wie Strömungsabriss, Staupunkte, Strahlausbildung, Rezirkulationsgebiete u. ä.. Der Vergleich zwischen Rechnungen und Experiment dokumentiert den erreichten Stand bei der dreidimensionalen Modellierung. Durch die Diskretisierung der zu untersuchenden Geometrie ist der CFD-Code in der Lage, die Einzelmodelle auch Geometrien zu übertragen, die bei der Validierung nicht betrachtetet wurden. Dies wird anhand von Rechenergebnissen für Sicherheitsventile demonstriert.