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entdeckt_02_2012

TITEL// Das Forschungsmagazin aus dem HZDR WWW.Hzdr.DE 24 25 einen ausgeklügelten Druckausgleich dünnwandige Versuchs- aufbauten ebenso wie teure Technik, die nicht auf hohen Druck ausgelegt sein müssen. Der Aufwand ist notwendig, um gesi- cherte Daten für das Phänomen der Gegenstrom-Begrenzung zu erhalten, mit denen numerische Strömungscodes verglichen und zugleich gefüttert und verbessert werden. Bis vor kurzem jedenfalls konnten CFD-Programme nicht vorhersagen, wann genau es zu einer Blockade des zurückströmenden Wassers durch den Dampf und wann lediglich zu einer teilweisen Be- grenzung kommt. Die neuen Daten aus den Experimenten von Christophe Vallée haben dabei geholfen, die Rechenmodelle zu verbessern, an denen unter anderem Thomas Höhne in der von Dirk Lucas geleiteten Abteilung „CFD“ im HZDR tüftelt. „Wir haben ein neues Modell entwickelt, das ‚Algebraic Inter- facial Area Density Model’, mit dem wir die Wechselwirkung der unterschiedlich dichten Phasen an deren Grenzflächen viel genauer bestimmen können als vorher“, sagt Dirk Lucas. Um das Experiment am Computer zu simulieren, war ein Re- chencluster, bestehend aus mehreren Prozessoren, rund drei Monate lang beschäftigt. Besonders die genau simulierten Wechselwirkungen an den Grenzflächen zwischen Wasser und Dampf schlugen dabei zu Buche. Um die Ergebnisse schnell in die Praxis zu bringen, arbeiten die Forscher eng mit dem CFD- Hersteller ANSYS Germany zusammen, mit dem das HZDR eine strategische Partnerschaft verbindet. „Besonders gefreut haben wir uns über die Unterstützung durch den indonesi- schen Kollegen Deendarlianto von der Gadjah-Mada-Univer- sität in Yogyakarta, der für zwei Jahre als Humboldt-Stipendiat bei uns arbeitete. Gemeinsam haben wir die Simulationen weiter entwickelt und waren hocherfreut, dass die Ergebnisse so gut mit den experimentell gewonnenen Daten übereinstimmen. Mittlerweile ist unsere realitätsnahe Simulation zur Gegenstrom- Begrenzung in der Praxis angekommen und kann von Firmen eingesetzt werden.“ Das Institut für Fluiddynamik im HZDR ist langjähriger Partner im deutschen CFD-Verbund. Eine besondere Partnerschaft verbindet es aber auch mit dem Institut für nukleare Sicher- heitssysteme Tsuruga und der Universität Kobe in Japan. Dortige Wissenschaftler haben die experimentellen Daten von Christophe Vallée für die Validierung eines vereinfachten Modells genutzt, aber auch eigene Simulationen und experimentelle Daten für die Überprüfung des HZDR-Modells zur Verfügung gestellt. Die Genehmigung für den Betrieb japanischer Kernkraftwerke hängt unter anderem vom Nachweisverfahren auch für den Extremfall der Gegenstrom-Begrenzung ab. Dies wurde für eine Wartungs- phase – dann herrscht im Reaktorgefäß ein geringerer Druck als bei Normalbetrieb – getestet. Dirk Lucas: „Getreu dem Motto, dass nur ein überprüfter Code ein guter Code ist, hat sich unser neues CFD-Modell in der Praxis bereits bewährt. Im nächsten Schritt wollen wir andere Flüssigkeiten und Wärmeverluste be- rechnen. In Zukunft werden wir dann hoffentlich einen Universal- code für die Gegenstrom-Begrenzung haben.“ Simulationswerkzeug für Erdöl und Dampf Ein großer Vorteil der CFD-Programme: sie besitzen eine hohe Praxisrelevanz, da sie breit genutzt werden können, angefangen bei Sicherheitsanalysen für Kernkraftwerke über Produktions- prozesse in der chemischen Industrie bis hin zur Auslegung von Brennstoffzellen. Denkt man an die Herstellung von Grundstof- fen in der chemischen Industrie, so sind auch hier Fälle von Gegenstrom-Begrenzungen denkbar. So kann Dampf in einer Trennkolonne gegen das flüssige Erdöl drücken und dessen Strö- mung behindern. Da man diese besondere Strömungsformation dank der Rossendorfer Experimente und Simulationsrechnun- gen nun besser versteht, gibt es endlich auch einen Hebel, um dieses in der chemischen Industrie unerwünschte Phänomen zu verhindern. Und das ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg hin zu mehr Energieeffizienz im industriellen Alltag. PUBLIKATION: Deendarlianto, T. Höhne, D. Lucas, C. Vallée, G. A. Zabala u. a.: „CFD studies on the phenomena around counter-current flow limitations of gas/liquid two-phase flow in a model of a PWR hot leg”, in Nuclear Engineering and Design, Bd. 241 (2011), S. 5138-5148 (DOI 10.1016/j.nucengdes.2011.08.071) EXPERIMENT UND SIMULATION: Qualitativer Vergleich der Strömungsstrukturen des Experiments (links) mit der CFD- Simulation (rechts). In beiden Fällen entwickelt sich eine größere Welle, die durch Dampfströmung gebrochen wird. Kontakt _Institut für Fluiddynamik im HZDR AREVA-Stiftungsprofessur für Bildgebende Messverfahren für die Energie- und Verfahrenstechnik an der TU Dresden Prof. Uwe Hampel u.hampel@hzdr.de Dr. Dirk Lucas d.lucas@hzdr.de

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