Phasenübergang an freien Grenzflächen

In der Natur und vielen energie- und verfahrenstechnischen Anwendungen kommen zweiphasige Strömungen mit Wasser-Luft- oder Wasser-Dampf-Gemischen vor. In Abhängigkeit von Massenströmen, Geometrie oder Stoffeigenschaften können verschiedene Strömungsformen auftreten.

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Diese Arbeiten beziehen sich speziell auf stratifizierte Strömungen in horizontalen Kanälen, wobei der Phasenübergang durch die Kondensation an einer freien horizontalen Oberfläche im Zentrum der Untersuchung steht. Direktkontaktkondensation (DCC) unterscheidet sich von der Film- oder Oberflächenkondensation bekanntermaßen durch einen wesentlich geringeren thermischen Widerstand zwischen den austauschenden Fluiden. Infolgedessen bietet DCC einen besseren Wärmeaustausch zwischen den Phasen. Der Wärmetransport bei DCC hängt in geschichteten (stratifizierten) Zweiphasenströmungen im Wesentlichen von den Turbulenztransportmechanismen der flüssigen Phase ab.

DCC wird beispielsweise in Wärmetauschern (z. B. Direktkontaktkondensatoren) genutzt, die sich durch eine sehr hohe Effektivität kennzeichnen. Thermohydraulische Vorgänge bei der Notkühlung eines Kernreaktors nach einem Kühlmittelverluststörfall stellen ein weiteres Beispiel dar, in dem DCC zu einem der wichtigsten sicherheitsrelevanten physikalischen Phänomenen gehört (Pressurized Thermal Shock). Daher kommt der Modellierung von Direktkontaktkondensation eine große Bedeutung zu. Eine erfolgsversprechende Modellierung setzt Kenntnisse über 3D Strömungsstrukturen (Geschwindigkeits- und Turbulenzfelder) voraus. Diese erforderlichen Informationen können nur die CFD-Methoden liefern. Das Ziel des Projektes besteht deshalb in der Ertüchtigung von CFD-Modellen für Wasser-Dampf-Strömungen mit Phasenübergang an freien Oberflächen.

Direktkontaktkondensation wird mittels einer DNS-Methode sowie Experimenten (TOPFLOW-PTS Experimente) untersucht. Anschließend wird ein Modell zur CFD Modellierung der Direktkontaktkondensation entwickelt und in das Algebraic Interfacial Area Density Model (AIAD) implementiert.

Das Experiment des litauischen Energieinstituts (LEI) befasst sich mit der direkten Kontaktkondensation (DCC) im zweiphasigen geschichteten Dampfwasserstrom (Abb. 3). Das Hauptziel der CFD-Simulationen dieser Experimente ist es, neue Modelle des Wärme- und Massentransports von gesättigtem Dampf zu Flüssigkeit über eine freie Oberfläche und die Temperaturprofile über die Flüssigkeitsströmung in einem Kanal zu berechnen. Die Kondensation erfolgt vorwiegend auf freien Flächen, zB bei PTS-Szenarien. Die Kenntnis der genauen Kühlmitteltemperatur ist für die Beurteilung der nuklearen Sicherheit wichtig.

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Es wurden drei verschiedene Direktkontakt-Kondensationsmodelle für den Wärmeübergang innerhalb des AIAD-Frameworks an der freien Oberfläche formuliert und getestet. Das AIAD-Modell beschreibt einen konsistenten Satz von Modellkorrelationen für die Grenzflächendichte, den Widerstand, die nicht aufgelösten Störungen einer freien Oberfläche und die Turbulenzdämpfung der Grenzfläche. Die berechneten Oberflächentemperaturprofile stimmen gut mit dem Experiment überein (Abb. 4). Die weitere Modellentwicklung sollte sich auf "CFD grade experiments" und direkte numerische Simulationen konzentrieren.

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Publikationen

• Höhne, T. , Gasiunas, S., Šeporaitis, M., Numerical modelling of a direct contact condensation experiment using the AIAD framework, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 111, August 2017, Pages 211-222
• Apanasevich P., Lucas, D., Beyer, M., Szalinski, L., CFD based approach for modeling direct contact condensation heat transfer in two-phase turbulent stratified flows,
  International Journal of Thermal Sciences 95 (2015) 123-135
• Apanasevich, P., Coste, P., Niceno, B., Heib, C., Lucas, D., Comparison of CFD simulations on two-phase Pressurized Thermal Shock scenarios,
  Nuclear Engineering and Design 266 (2014) 112-128
• Apanasevich, P., Lucas, D., Seidel, T., Numerical simulations of condensing steam-water flow, 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-15),
  Pisa, Tuscany, Italy, 12-17 May, 2013, paper 270
• Deendarlianto, Höhne, T., Apanasevich, P., Lucas, D., Vallée, C., Beyer, M., Application of a new drag coefficient model at CFD-simulations on free surface flows relevant for the nuclear reactor safety Analysis, Annals of Nuclear Energy 39 (2012) 70-82

• Apanasevich, P., Lucas, D., Höhne, T., Numerical simulations of the TOPFLOW-PTS steam-water experiment, 14th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics
  (NURETH-14), Hilton Toronto Hotel, Toronto, Ontario, Canada, September 25-29, 2011, paper No. 362

• Apanasevich, P., Lucas, D., Höhne, T., Pre-test CFD simulations on TOPFLOW-PTS experiments with ANSYS CFX 12.0,
  Workshop on Experimental Validation and Application of CFD and CMFD Codes to Nuclear Reactor Safety Issues (CFD4NRS), Washington D.C., USA, 14-16 September, 2010

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Danksagung

Die Arbeiten werden teilweise vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie unter der Programmnummer 150 1411 gefördert.