Erweiterung, Validierung und Bereitstellung von qualitätsgesicherten OpenFOAM-Solvern für Containmentanwendungen (CFDCONT II) Teil 1

Abstract

Seit vielen Jahren beteiligt sich die GRS an der Entwicklung, Validierung und Anwendung von CFD-Methoden für Reaktorsicherheitsanalysen mit dem Ziel, Aussagefähigkeit zu einem breiten Spektrum von Fragestellungen für die gängigen (Generation II – III+) und zukünftigen (Generation IV und SMR) KKW-Technologien sicherzustellen. Ziel dieses Projektes war die Weiterentwicklung, Validierung und Bereitstellung von qualitäts-gesicherten OpenFOAM-Referenzsolvern für Containment-Fragestellungen für LWR. Diese Arbeiten erfolgen im Rahmen eines Verbundvorhabens mit dem Forschungszentrum (FZ) Jülich. Der folgende Bericht umfasst die von der GRS durchgeführten Arbeiten, das FZ Jülich hat einen eigenen Abschlussbericht erstellt. OpenFOAM zur Berechnung der Gasverteilung Der vom FZ Jülich entwickelte Solver containmentFOAM bildete den Ausgangspunkt für die Erstellung eines Referenzsolvers zur Berechnung von Gasverteilungen für Containment-Anwendungen. Zu Beginn des Projekts wurde anhand unterschiedlicher Versuche (CONAN, PANDA 4bis, OECD/NEA-Benchmark zur Schichtungsauflösung, SETH ST2.1, THAI TH-24) containmentFOAM mit dem von der GRS entwickelten Solver cht-MultiRegionSchmidtFOAM verglichen. Anschließend wurde ContainmentFOAM für die Simulation der Strömung in komplexen Mehrraumgeometrien validiert. Im THAI-Versuch TH-35 wurde eine Gegenströmung in einem Verbindungsrohr untersucht und in den OECD-PANDA-Experimenten P1A1-3 und P1A1-4 wurde die Strömung in einer Konfiguration betrachtet, die an eine Freisetzung in einen Dampferzeugerturm im Sicherheitsbehälter angelehnt ist. Anhand von Versuchen aus der OECD-PANDA-Versuchsreihe P1A2 wurde die Wärmestrahlungsmodellierung mit unterschiedlichen Strahlungsmodellen untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt war die Modellierung von Gebäudekondensatoren. Es wurden die HYMERES-2-Versuche H2P6-1 und H2P6-2 mit unterschiedlicher Modellierung von Gebäudekondensatoren nachgerechnet. Einsatz von OpenFOAM bei H2 bzw. H2/CO Verbrennung Der von der TU München entwickelte Solver xDynFOAM wurde von der GRS für die Simulation von H2-Verbrennung validiert. Langsame Verbrennungsvorgänge wurden anhand der THAI-Experimente HD-7, HD-8, HD10 und HD-12 nachgerechnet. Anhand eines ENACCEF-2-Experiments mit 13 Vol.-% H2 in Luft wurde ein Experiment mit schneller, turbulent-beschleunigter Verbrennung simuliert. Anhand eines GraVent-Experiments wurde die Simulation von DDT und Detonation getestet. Zur Durchführung von Multi-Physik-Analysen zur Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) wurde eine Kopplung von Open-FOAM mit LS-DYNA entwickelt. Dazu wurde ein Kopplungsprogramm, FS-Converter, von der GRS erstellt. Es ermöglicht, die mit OpenFOAM berechneten lokalen Druckver-läufe als räumlich verteilte Last-Zeit-Funktionen in LS-DYNA zu verwenden. Der FS-Converter wurde anhand unterschiedlicher Versuche erprobt (HySEA-Experiment, Offermann-Versuche und ein GraVent-Experiment). Anwendbarkeit von OpenFOAM für komplexe Containment-Analysen Durch die Simulation der Gasverteilung eines Kühlmittelverluststörfalls (Surge-Line-Bruch) in einem generischen Containment angelehnt an einen DWR vom Typ KONVOI wurde die Leistungsfähigkeit von containmentFOAM für reale Anwendungen untersucht und Weiterentwicklungsbedarf aufgezeigt. Nationale und internationale Zusammenarbeit Die GRS hat sich an nationalen und internationalen Treffen/Konferenzen aktiv beteiligt. Das jährliche CFD-Verbund-Treffen wurde von der GRS organisiert und dabei wurden regelmäßig GRS-Arbeiten zu Containment-Fragestellungen vorgestellt. Die GRS hat an den Treffen des PRG des OECD/NEA-PANDA-Projekts teilgenommen und ausgewählte Arbeiten mit Bezug zu diesem Versuchsprogramm vorgestellt. Des Weiteren hat sich die GRS mit xDynFOAM-Simulationen am ETSON-AMHYCO-Verbrennungsbenchmark zur Verbrennung von H2/CO-Gemischen beteiligt. Koordination von OpenFOAM-Aktivitäten (Containment) Die GRS hat einen passwortgeschützten GitLab-Server eingerichtet, auf den nationale CFD-Verbund-Partner zugreifen können, um Modelle und Solver (z. B. containment-FOAM, xDynFOAM; GRS-PAR-Modell) herunterzuladen sowie eigene Modelle den Partnern zur Verfügung zu stellen. Die GRS hat bereits eine Reihe von Validierungsfällen auf diesen Server hochgeladen. Die GRS hat das GRS-PAR-Modell, das auf modifizierten AREVA-Gleichungen basiert, an containmentFOAM gekoppelt und an neue Open-FOAM-Versionen angepasst. Zudem wurde eine verbesserte Implementation am THAI-Experiment HR-5 validiert. Die GRS hat das FZ Jülich bei der Portierung von containmentFOAM in neue OpenFOAM-Versionen mit Validierungsrechnungen unterstützt.