CFDCONT - Ertüchtigung von CFD-Codes für die Simulation von störfalltypischen Phänomenen im Containment

Abstract

Zur Simulation und Beurteilung von unfalltypischen Vorgängen im Sicherheitsbehälter von Kernkraftwerken erlangen CFD-Simulationstechniken eine immer stärkere Bedeutung. Mit dem Forschungsvorhaben RS1562 hat die GRS dieser Entwicklung Rechnung getragen und Modelle für CFD-Simulationen mit ANSYS CFX und OpenFOAM weiterentwickelt und validiert. Im Vordergrund standen dabei nicht-stationäre, turbulente und anisotrope Strömungen und Phänomene in komplexen 3-D-Geometrien, so wie sie im Sicherheitsbehälter bei einem Störfall mit Leckage des Primärkreises auftreten können. Bedingt durch eine Strategieentscheidung im zuständigen BMWi-Projektkomitee wurden im Vorhaben zudem Koordinierungsarbeiten im CFD-Verbund zur Bereitstellung und ab gestimmten Weiterentwicklung und Validierung des Open-Source-Code OpenFOAM für Containmentanwendungen durchgeführt. Im Sinne dieser Neuausrichtung wurden im Vorgängervorhaben begonnene Arbeiten mit ANSYS CFX sinnvoll abgeschlossen und für die Entwicklung- und Validierung von OpenFOAM-Modellen genutzt. Erprobung von OpenFOAM: Im Vorhaben wurde ein angepasster OpenFOAM Solver zur Berechnung von Gasverteilungen unter Containment-typischen Bedingungen entwickelt und validiert. Ein Wand- und ein Volumenkondensationsmodell wurden implementiert und mithilfe mehrerer Experimente (Conan/SARNET, THAI TH-2, TH-24, Panda 4bis) validiert. Im Rahmen eines vom PSI organisierten Benchmarks (Code-zu-Code-Vergleich) zum Thema Wärmestrahlungsmodellierung wurden unterschiedliche Strahlungsmodelle getestet und Sensitivitätsstudien zu Parametern (Absorptionskoeffizient) durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Berücksichtigung der Wärmestrahlung einen signifikanten Einfluss auf die Temperaturverteilung und die Geschwindigkeit der Schichtungsauflösung haben kann und zudem eine empfindliche Abhängigkeit vom gewählten Absorptionskoeffizienten vorliegt. Weiterhin wurden unterschiedliche Wärmestrahlungsmodelle durch Nachrechnung verschiedener Experimente (H2P1_3, H2P2) getestet. Es zeigt sich ein signifikanter Einfluss des Wärmestrahlungsmodells und auch der Absorptionskonstante von Dampf sowohl auf die Temperaturverteilung als auch auf die Erosionsgeschwindigkeit der Heliumschicht. Ein für ANSYS CFX entwickeltes PAR-Modell basierend auf modifizierten AREVA-Korrelationen wurde nach OpenFOAM übertragen. Das neu implementierte Modell wurde anhand mehrerer Testfälle und zweier Experimente (THAI HR-5 und HR-43) validiert. Hinsichtlich der Simulation von Gasverteilungen (insbesondere der Auflösung von stabilen Leichtgasschichtungen) wurden die Panda-Experimente H2P1_3 und H2P1_10 sowie das THAI-Experiment TH-32 sowohl mit OpenFOAM als auch mit ANSYS CFX erfolgreich nachgerechnet. Abschließende Arbeiten zu ANSYS CFX: Im Vorhaben wurde die Simulation von H2-Verbrennungen mit ANSYS CFX weiterentwickelt und validiert sowie eine Flamelet-Bibliothek für die Verbrennung von H2/H2O/Luft-Gemische erzeugt. Anhand mehrerer Experimente (THAI HD-7, HD-10, HD-39, verschiedene ENACCEF2-Experimente) wurden unterschiedliche Korrelationen für die turbulente Flammengeschwindigkeit mit ANSYS CFX getestet und charakterisiert. Außerdem wurde das Aerosolmodell zur Berücksichtigung der Wechselwirkung von Aerosolen mit Dampf erweitert. Die in Einzeleffekt-Versuchen (KAEVER) gewonnenen Erkenntnisse wurden im Weiteren auf eine komplexere Mehrraum-Geometrie übertragen (Battelle-Modell-Containment / VANAM-M3-Versuch). Containmentanwendung: Unter Zuhilfenahme eines verfügbaren Datensatzes für die Gasverteilung in einem generischen Containment zeigten Untersuchungen mit ANSYS CFX, dass der Einfluss der Modellierung eines Lecks (Position, Richtung, Strahl/Volumetrisch) auf den weiteren Unfallablauf signifikant sein kann. Daher wird für ähnliche Untersuchungen eine realistische Simulation des Strahls empfohlen. Koordinierung der OpenFOAM-Aktivitäten (Containment) im CFD-Verbund: Die Arbeiten umfassten insbesondere die Bereitstellung von Modellen auf dem Gitlab-Server der GRS. Weiterhin wurden Vorschläge für die Weiterentwicklung von OpenFOAM für das Containment und für den Kühlkreislauf erarbeitet und die daraus resultierenden Positionspapiere mit den Partnern im CFD-Verbund abgestimmt. Mit den Partnern wurde darüber hinaus vereinbart, dass die Code-Version OpenFOAM Version 5.0 (oder neuere) der OpenFOAM-Foundation als Basisversion für die gemeinsame Entwicklung verwendet wird. For the simulation and assessment of typical accident scenarios in the containment of nuclear power plants, CFD simulation techniques are becoming more and more important. With the research project RS1562, GRS has taken this development into account and further developed and validated models for CFD simulations with ANSYS CFX and OpenFOAM. The focus was on non-stationary, turbulent, and anisotropic flows and phenomena in complex 3-D geometries, such as those that occur in the containment in case of an accident with a leak in the primary circuit. Due to a strategic decision in the responsible BMWi project committee, coordination work was also carried out in the CFD network for the provision and coordinated further development and validation of the open-source code OpenFOAM for containment applications. In line with this realignment, work started in the previous project with ANSYS CFX was completed and used for the development and validation of OpenFOAM models. Testing of OpenFOAM: In the project, an adapted OpenFOAM solver for calculating gas distributions under typical containment conditions was developed and validated. A wall and a bulk condensation model were implemented and validated using several experiments (Conan / SARNET, THAI TH-2, TH-24, Panda 4bis). As part of a benchmark (code-to-code comparison) organized by PSI on the subject of thermal radiation modeling, different radiation models were tested, and sensitivity studies were performed on parameters as the absorption coefficient. It was shown that the consideration of the thermal radiation can have a significant influence on the temperature distribution and the speed of the stratification dissolution and that there is also a sensitive dependence on the selected absorption coefficient. Furthermore, different thermal radiation models were tested by simulationg various experiments (H2P1_3, H2P2). The thermal radiation model and the absorption constant of steam have a significant influence on both the temperature distribution and the erosion rate of the helium layer. A PAR model devel oped for ANSYS CFX based on modified AREVA correlations was transferred to OpenFOAM. The newly implemented model was validated on the basis of several test cases and two experiments (THAI HR-5 and HR-43). With regard to the simulation of gas distributions (especially the dissolution of stable light gas layers), the Panda experiments H2P1_3 and H2P1_10 as well as the THAI experiment TH-32 were successfully recalculated with both OpenFOAM and ANSYS CFX. - Concluding work on ANSYS CFX: In the project, the simulation of H2 combustion with ANSYS CFX was further developed and validated and a flamelet library for the combustion of H2 / H2O / air mixtures was created. Using several experiments (THAI HD-7, HD-10, HD-39, various ENACCEF2 experiments), different correlations for the turbulent flame speed were tested and characterized with ANSYS CFX. In addition, the aerosol model has been expanded to take into account the interaction of aerosols with steam. The knowledge gained in single effect experiments (KAEVER) was then transferred to a more complex multi-room geometry (Battelle model containment / VANAM-M3 experiment). Containment application: With the help of an available data set for the gas distribution in a generic containment, investigations with ANSYS CFX showed that the influence of the modeling of a leak (position, direction, jet / volumetric) on the further course of the accident can be significant. A realistic simulation of the beam is therefore recommended for similar investigations. Coordination of OpenFOAM activities (containment) in the CFD network: The work included in particular the provision of models on the GRS Gitlab server. Furthermore, suggestions for the further development of OpenFOAM for the containment and for the cooling circuit were worked out and the resulting position papers were coordinated with the partners in the CFD network. It was also agreed with the partners that the code version OpenFOAM Version 5.0 (or newer) of the OpenFOAM Foundation will be used as the basic version for joint development.