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000960405 245__ $$aModeling of gas radiation heat transfer for the CFD analysis of containment atmosphere mixing$$cvorgelegt von Xiongguo Liu$$honline
000960405 246_3 $$aModellierung des Wärmetransports mittels Gasstrahlung für die CFD-Analyse der Mischungsvorgänge im Sicherheitseinschluss$$yGerman
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000960405 502__ $$aDissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023$$bDissertation$$cRheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen$$d2023$$gFak04$$o2023-03-17
000960405 5203_ $$aWährend eines schweren Reaktorunfalls werden mit fortschreitender Kernschädigung und der Beton-Schmelze-Wechselwirkung erhebliche Mengen Dampf, nicht kondensierbarer Gase (z. B. H2, CO oder CO2) und radioaktiver Aerosole in den Sicherheitsbehälter freigesetzt. Der Transport brennbarer Gase wird simuliert, um Maßnahmen zur Verhinderung von Ansammlungen und möglicher Verbrennungsvorgänge, die die Integrität des Sicherheitsbehälters gefährden können, zu entwickeln. Vorangegangene Modellvalidierungen zeigten, dass Gasstrahlung in dampfhaltigen Gasgemischen den H2-Transport in Auftriebsströmungen beeinflussen kann, wobei eine starke Sensitivität gegenüber den Modellkoeffizienten besteht. Ziel dieser Arbeit ist es, einen zuverlässigen und effizienten Strahlungstransportlöser für komplexe 3D-Geometrien zu entwickeln, ein geeignetes Spektralmodell für das Gasgemisch zu formulieren und zu bewerten sowie den Einfluss der Wärmestrahlung auf den Mischungsprozess in Auftriebsströmungen zu untersuchen. Zur Untersuchung des Wärmestrahlungstransports im Sicherheitsbehälter wird ein robuster und belastbarer Monte-Carlo-Löser in containmentFoam, ein am Forschungszentrum Jülich entwickeltes CFD-Paket für den Sicherheitseinschluss, implementiert. Zwei Spektralmodelle, das Statistical Narrow Band Correlated-K (SNBCK) und als Referenz das Line-by-Line (LBL) Modell, werden mittels der HITRAN2016-Datenbank auf die erwarteten thermo-fluiddynamischen Bedingungen zugeschnitten. Die numerisch effiziente Formulierung und Implementierung des Monte-Carlo-Verfahrens und der Spektralmodelle wird berücksichtigt, um ihre praktische Anwendbarkeit zu gewährleisten. Nach sorgfältiger Verifikation erfolgt die Validierung anhand zweier anwendungsorientierter Versuche an der PANDA-Anlage (Paul Scherrer Institut): Die OECD/NEA HYMERES-2 H2P2 Einzeleffekt-Versuche ermöglichen die Untersuchung des Strahlungswärmetransports, während die komplexe Wechselwirkung mit Mischungsvorgängen anhand der OECD/NEA SETH-2 ST1 Experimente bewertet wird. Die Analyse der H2P2-Versuchsreihe bestätigt, dass die Gastemperaturen bei Vernachlässigung der Strahlung in feuchten Gasgemischen deutlich überschätzt werden. Die maßgeschneiderten Spektralmodelle weisen verglichen mit bestehenden Modellen eine sichtbar bessere Vorhersagegüte auf. In den ST1-Versuchen wird dieser Effekt mit konvektiver Gasmischung, d.h. der Erosion einer Leichtgasschichtung mittels eines Dampfstrahls, überlagert. Die detaillierte Analyse zeigt, dass die Änderung der Gastemperaturen die lokalen Auftriebskräfte und somit mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit zunehmend den Mischungsprozess beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Gasstrahlung bei der Validierung und Anwendung von CFD-Modellen für den Sicherheitseinschluss nicht vernachlässigt werden darf. Die Strahlungstransportbibliothek erwies sich bei moderaten zusätzlichen numerischen Kosten als anwendbar für Analysen im technischen Maßstab. Zukünftig kann sie auch der Entwicklung und Verifizierung effizienterer Modelle dienen.$$lger
000960405 520__ $$aDuring a severe nuclear accident, considerable amounts of steam, non-condensable gases, e.g., H2, CO or CO2, and radioactive aerosols are released into the containment building along with progressing core damage and molten corium concrete interaction. It is necessary to predict the flammable gas transport within the containment building to design measures that prevent their accumulation and potentially resulting combustion events challenging containment integrity. During prior model validation, it was found that the gas radiation heat transfer in humid gas mixtures can affect the hydrogen mixing process in slow buoyancy-driven flows, while there is a strong sensitivity to the model coefficients. Consequently, the objective of this thesis is to develop a reliable and efficient radiative transfer equation solver for complex 3D geometries, to formulate and assess suitable spectral properties of multi-component gas mixtures, and to investigate the impact of thermal radiation on the gas mixing process in buoyancy-driven flows. As basis for the investigation of thermal radiation in containment flows, a robust and reliable Monte Carlo solver is implemented in containmentFoam, a tailored CFD package for containment safety analysis developed at Forschungszentrum Jülich. Two non-gray gas models, the statistical narrow band correlated-k model (SNBCK) and as reference the line-by-line model (LBL) are tailored to the expected thermo-fluid dynamic conditions of a severe accident based on the HITRAN2016 database. In particular the numerically efficient formulation and implementation of the Monte Carlo method and the non-gray gas models are considered to ensure and optimize their practical applicability. Based on a thorough verification against reference solutions, the validation against two sets of application-oriented experiments in the PANDA facility (Paul Scherrer Institute) is conducted: The OECD/NEA HYMERES-2 H2P2 experiments were designed as a separate effect test to evaluate radiation heat transfer, whereas the complex interaction with gas mixing can be assessed in the OECD/NEA SETH-2 ST1 experiments. The analysis of the H2P2 series confirms that the gas temperatures are significantly over predicted when radiation is neglected in humid gas mixtures. There is a substantial accuracy improvement in simulation results for the tailored models in comparison with other models. Within the ST1 series, this effect is superposed by convective gas mixing, i.e., the erosion of a stratified light gas layer by a steam jet with different momenta. This detailed analysis reveals that the observed effect on gas temperatures, induces a local change of buoyancy forces and thus influences the helium-steam mixing process. The relevance of this effect increases with decreasing flow momentum. These results clearly indicate that gas radiation must not be neglected in containment model validation and applications despite of the modest gas temperature differences (< 50 K). The developed radiation transport library demonstrated to be applicable to technical scale analysis at moderate additional numerical cost. Furthermore, it can also serve as a basis to develop and verify more efficient models in the future.$$leng
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