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Development of a multivariate wall function approach for momentum, heat and mass transfer in the wall condensation regime = Entwicklung eines multivariaten Wandfunktionsansatzes für den Impuls-, Wärme- und Stoffübergang im Wandkondensationsregime
2022 & 2023
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-10-05
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-06349
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/960707/files/960707.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Grenzschicht (frei) ; Reaktorsicherheit (frei) ; Stoffübertragung (frei) ; Wandfunktion (frei) ; Wandkondensation (frei) ; Wärmeübertragung (frei) ; boundary layer (frei) ; heat transfer (frei) ; mass transfer (frei) ; reactor safety (frei) ; wall Function (frei) ; wall condensation (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Der Einsatz numerischer Methoden zur Sicherheitsanalyse von Kernkraftwerken hilft Lieferanten, Betreibern und Sicherheitsbehörden, die Auslegung der Anlage zu begründen, das Verhalten der Anlage bei verschiedenen Störfallszenarien zu verstehen, Maßnahmen zur Störfallbegrenzung zu definieren und Potenziale zur Verbesserung der Anlagensicherheit aufzuzeigen. Ergänzend zu den etablierten Lumped-Parameter- oder System-Codes werden zunehmend auch Computational Fluid Dynamics (CFD) Programme für diese Aufgabeeingesetzt. CFD-Codes bieten die Möglichkeit, zusätzliche Erkenntnisse über lokale oder dreidimensionale Strömungsphänomene im Verlauf eines Störfalls zu gewinnen. Eine Anwendung von großem Interesse für den Einsatz von CFD-Codes ist die Strömung im Sicherheitseinschluss während eines Kühlmittelverluststörfalls (LOCA), insbesondere im Hinblick auf die Wasserstoffverteilung und die Bildung zündfähiger Gemische. Aufgrund des Vorhandenseins von Phänomenen wie Wandkondensation erfordert die Analyse der Strömung im Sicherheitseinschluss während eines LOCA eine feine Gitterauflösung an der Wandoberfläche, um die Strömung genau vorherzusagen. Mit einem solch feinen Gitterbenötigen die Berechnungen jedoch eine prohibitiv große Rechenzeit. Daher müssen Subgittermodelle, so genannte Wandfunktionen, eingesetzt werden, um die erforderliche Gitterauflösung und damit die Rechenzeit zu reduzieren. Die derzeit verfügbaren Wandfunktionen sind für die Modellierung von Strömungen im Sicherheitsbehälter unter LOCA-Bedingungen nicht geeignet. Insbesondere, weil sie die Effekte des statischen Auftriebs und der kondensationsbedingten Wandnormalgeschwindigkeit, allgemein als ’suction effect’ bezeichnet, nicht berücksichtigen. Der in dieser Arbeit vorgestellte Wandfunktionsansatz besteht aus einer Reihe von empirischen Funktionen, die auf experimentellen Daten basieren, welche durch hochauflösende numerische Daten ergänzt werden. Zusätzlich zu den typischerweise in Wandfunktionenauftretenden Effekten deckt der Ansatz auch den Einfluss von Auftrieb und Wandnormalströmung ab. Um diese Effekte zu berücksichtigen, wird ein abdeckender Satz von dimensionslosen Parametern hergeleitet und die Eingangsdaten werden zu multivariaten algebraischen Funktionen kombiniert, die das Konzept der radialen Basisfunktionennutzen. Dies ermöglicht eine einfache und rechenzeitsparende Integration der Wandfunktion in verschiedene CFD-Codes. Eine beispielhafte Implementierung in den CFD-Code ANSYS CFX wird vorgestellt. Eine erste Validierung wird anhand von Separateffekt- und Integraleffekt-Tests durchgeführt. Die Validierung anhand der Separateffekt-Tests zeigt, dass der neu entwickelte Wandfunktionsansatz im Vergleich zu einer Standard-Wandfunktion verbesserte Ergebnisse liefert, insbesondere unter containmentähnlichen Strömungsbedingungen. Allerdings zeigen die Integraleneffekt-Tests in größerem Maßstab keine solche Verbesserung, was auf den begrenzten Anwendungsbereich des neuen Modells zurückzuführen ist, der sich aus der begrenzten Menge an verfügbaren Eingabedaten ergibt. Nichtsdestotrotz zeigen die Ergebnisse, dass der neu entwickelte Wandfunktionsansatz das Potenzial hat, rechenzeittechnisch erschwingliche CFD-Berechnungen eines vollständigen Containments unter LOCA-Bedingungen mit einer genauen Vorhersage des wandnahen Impuls-, Wärme- und Stofftransfers zu ermöglichen, auch wenn noch einige Arbeit zu leisten ist.The use of numerical methods for the safety analysis of nuclear power plants helps suppliers, operators and safety authorities to justify the plant layout, understand the plant behavior in different accident scenarios, to define accident mitigation measures and to identify potentials for the improvement of the plant safety. Complementary to the well-established lumped parameter or system codes, there is an increasing demand to use computational fluid dynamics (CFD) codes for this task. CFD codes offer the ability to gain additional insights into, for example, localized or three-dimensional flow phenomena in the course of an accident, especially the distribution of hydrogen and the formation of combustible mixtures. One application of great interest for the use of CFD-codes is the containment flow during a loss of coolant accident (LOCA). Due to the presence of phenomena such as wall condensation, the analysis of the containment flow during a LOCA requires a fine mesh resolution at the wall surface to accurately predict the flow. However, with such a fine mesh, the calculations require a prohibitive large amount of computation time. Therefore, subgrid models, so called wall functions, need to be employed to reduce the required grid resolution and thus the computational time. Currently available wall functions are not suitable for modeling containment flows under LOCA conditions. In particular, they do not include the effects of buoyancy and condensation-induced wall normal velocity, commonly referred to as the suction effect. The wall function approach presented in this thesis consists of a set of empirical functions based on experimental data supplemented by high resolution numerical data. In addition to the effects typically encountered in wall functions, the approach includes the influence of buoyancy and wall normal flow. To account for these effects, a covering set of non-dimensional parameters is derived and the input data are combined into multivariate algebraic functions using the concept of radial basis functions. This allows an easy and computationally fast integration of the wall function into different CFD codes. An exemplary implementation in the CFD code ANSYS CFX is presented. A first validation is performed based on separate and integral effect tests. The separate effect test validation demonstrates that the newly developed wall function approach provides improved results compared to a standard wall function, especially under containment-like flow conditions. However, larger scale integral effect tests do not show such improvement due to the limited application range of the new model resulting from the limited amount of available input data. Nevertheless, the results show that the newly developed wall function approach has the potential to enable computationally affordable CFD calculations of a full containment under LOCA conditions with an accurate prediction of the near wall momentum, heat and mass transfer, although some work remains to be done.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030064095
Interne Identnummern
RWTH-2023-06349
Datensatz-ID: 960707
Beteiligte Länder
Germany
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