CFD models for polydispersed bubbly flows

Many flow regimes in Nuclear Reactor Safety Research are characterized by multiphase flows, with one phase being a continuous liquid and the other phase consisting of gas or vapour of the liquid phase. In dependence on the void fraction of the gaseous phase the flow regimes e.g. in vertical pipes are varying from bubbly flows with low and higher volume fraction of bubbles to slug flow, churn turbulent flow, annular flow and finally to droplet flow. In the regime of bubbly and slug flow the multiphase flow shows a spectrum of different bubble sizes. While disperse bubbly flows with low gas volume fraction are mostly mono-disperse, an increase of the gas volume fraction leads to a broader bubble size distribution due to breakup and coalescence of bubbles. Bubbles of different sizes are subject to lateral migration due to forces acting in lateral direction different from the main drag force direction. The bubble lift force was found to change the sign dependent on the bubble size. Consequently this lateral migration leads to a de-mixing of small and large bubbles and to further coalescence of large bubbles migrating towards the pipe center into even larger Taylor bubbles or slugs. An adequate modeling has to consider all these phenomena. A Multi Bubble Size Class Test Solver has been developed to investigate these effects and test the influence of different model approaches. Basing on the results of these investigations a generalized inhomogeneous Multiple Size Group (MUSIG) Model based on the Eulerian modeling framework has been proposed and was finally implemented into the CFD code CFX. Within this model the dispersed gaseous phase is divided into N inhomogeneous velocity groups (phases) and each of these groups is subdivided into Mj bubble size classes. Bubble breakup and coalescence processes between all bubble size classes Mj are taken into account by appropriate models. The inhomogeneous MUSIG model has been validated against experimental data from the TOPFLOW test facility

Verifikation des ATHLET-Rechenprogrammes anhand der Nachanalyse zweier Experimente an der CCTF-Versuchsanlage

Im Rahmen der externen Validierung des von der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit entwickelten Störfallcodes ATHLET, der in der Version Mod 1.2 Cycle C vorlag, wurden zwei Experimente nachgerechnet und analysiert, die an der japanischen Versuchsanlage CCTF durchgeführt wurden. Die Versuchsanlage CCTF ist ein 1:25 volumenskaliertes Modell eines 1000 MW Druckwasserreaktors. Bei den Experimenten handelt es sich um die Versuche C2-04/62 und C2-19/79, in denen jeweils ein 2F-Bruch im kalten Strang mit kaltseitiger bzw. kombinierter Notkühleinspeisung simuliert wurde. Die Versuchsanlage wurde so ausgelegt, daß die Wiederfüll- bzw. Wiederflutphase bei Druckwasserreaktor-Störfällen mit großem Leck simuliert werden kann. Die Auswertung der Rechnungen zeigt, daß die wesentlichen Phänomene im Verlauf der Transiente gut wiedergegeben werden. Das betrifft vor allem das zeitliche Verhalten der Wiederbenetzungsfront und die damit verbundene Kühlung der Brennelemente. Wie eine Analyse der experimentellen Daten zeigt, spielen im Reaktorkern radiale Effekte eine wesentliche Rolle. In der CCTF Anlage wird sowohl eine axiale als auch eine radiale Leistungsverteilung im Kern simuliert. Radiale Effekte treten insbesondere bei der kombinierten Notkühleinspeisung auf. Hier wird die Einspeisung über das Obere Plenum durch den in Gegenrichtung strömenden Dampf teilweise behindert. Die Wiederbenetzungsfront schreitet in den Randbereichen schneller voran als im Zentrum. Dieses Verhalten wurde in den ATHLET-Rechnungen durch eine Zweikanal-Modellierung des Reaktorkerns nachgebildet. Die Ergebnisse der ATHLET Rechnungen zeigen sowohl für das Zentrum als auch für die Randbereiche des Kerns eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die Schwachstellen der Rechnungen liegen vor allem bei der Notkühleinspeisung in der Anfangsphase der Transiente. Hier wird kaltes Notkühlwasser in Volumina mit reinem Dampf eingespeist. Die Rechnungen liefern dabei zu hohe Kondensationsraten, welche mit einer unrealistischen Druckabsenkung verbunden sind. Desweiteren wird der Druckaufbau durch die Verdampfung beim Wiederbenetzen der Brennelemente offensichtlich unterschätzt. Die Ergebnisse der Rechnungen zeigen darüberhinaus, daß die sicherheitsrelevanten Aussagen der Experimente durch den Code ATHLET reproduziert werden

Verifikation des ATHLET-Rechenprogramms im Rahmen der externen Verifikationsgruppe ATHLET BETHSY Test 9.3- Heizrohrbruch mit Versagen der Hochdruck-Noteinspeisung

Im Rahmen der externen Validierung des von der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit entwickelten Störfallcodes ATHLET, der in der Version Mod 1.1 Cycle D vorlag, wurden zwei Experimente nachgerechnet und analysiert, die an der französischen Versuchsanlage BETHSY durchgeführt wurden. Im Test 9.3 werden die Konsequenzen untersucht, wenn bei einem Heizrohrbruch die Hochdruckeinspeisung sowie die Not-Speisewasserversorgung der Dampferzeuger versagen und nur die Druckspeicher sowie die Niederdruckeinspeisung zur Verfügung stehen. Als Accident Management Maßnahmen wurde die sekundäre Druckentlastung und schließlich die primäre Entlastung über den Druckhalter untersucht. Die Analyse kommt zu dem Ergebnis, daß der Code ATHLET in der Lage ist, dieses komplexe Szenario recht gut zu beschreiben. Die sicherheitsrelevante Aussage konnte reproduziert werden. Abweichungen, die jedoch nicht die prinzipielle Aussage in Frage stellten, ergaben sich bei der Berechnung des Leckmassenstromes in der Phase der Druckentlastung des havarierten Dampferzeugers sowie bei der Modellierung des Versagens der Wärmeübertragung dieses Dampferzeugers. Die Ursache dieser Abweichungen ist sehr schwer aufzuklären, da diese Prozesse sehr komplex miteinander verflochten sind

Temperature and void fraction distribution in a side wall heated tank

Experiments were performed to investigate heating up processes of fluids in storage tanks under the influence of an external heat source. Storage tanks for fluids are widely used industrial facilities. As a consequence of an external fire, the heat-up of the inventory may lead to the evaporation of the liquid and to release of significant quantities of dangerous gases into the environment. Several boiling tests with water tanks were performed both with heating from the bottom and with heating from the side walls. In different test tanks for the different heating modes the time dependency of the temperature field was determined by thermocouples. In recent tests for investigation of the side wall heating, in addition to the thermocouples the tank was equipped with needle probes for measuring of the local void fraction. The experiments have shown that the liquid inventory behaves very differently depending on the mode of heating. Bottom heating leads to an irregular thermoconvective motion of the liquid, which causes good mixing, so that saturation is reached at all places inside the tank approximately at the same time. The maximum enthalpy of the liquid always remains close to the average value. If the vessel is heated from the side, a stable temperature stratification is observed leading to large temperature gradients. Evaporation can start much earlier than the average temperature reaches saturation. In order to clarify the physical nature of the details of the heating-up and the evaporation process in simple geometrical boundary conditions, a two-dimensional mathematical model was developed, which includes also evaporation and two-phase flow. The measurement of the temperature and of the void fraction makes physical phenomena evident, which could be explained by the own 2D model. The gained experimental results may be used for the validation of boiling models in 3-D CFD codes

Verifikation des ATHLET-Rechenprogramms im Rahmen der externen Verifikationsgruppe ATHLET BETHSY Test 5.2c- Totalverlust des Speisewassers

Im Rahmen der externen Validierung des von der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit entwickelten Störfallcodes ATHLET, der in der Version Mod 1.1 Cycle D vorlag, wurden zwei Experimente nachgerechnet und anlaysiert, die an der französischen Versuchsanlage BETHSY durchgeführt wurden. Das Experiment 5.2c dient der Untersuchung der Notfallprozeduren beim Totalausfall der Speisewasserversorgung auf der Dampferzeugersekundärseite. Spezielles Interesse gilt hierbei den Möglichkeiten der Notkühlung durch primäres Bleed and Feed, dem Verhalten der Dampferzeuger bei sekundärseitiger Austrocknung und dem Langzeitverhalten der Anlage bis zum Einspeisen der einzelnen Notkühlsysteme. Im Verlauf der Transiente erfolgt die Einspeisung sowohl aus dem Hochdrucknotkühlsystem als auch aus den Druckspeichern und dem Niederdrucknotkühlsystem. Die Auswertung der Rechnungen zeigt, daß praktisch alle wesentlichen Phänome im Verlauf der Transiente korrekt wiedergegeben werden. Als ein wesentlicher Einflußfaktor auf die Qualität der Rechnungen hat sich die Modellierung der Wärmeverluste, welche an der Versuchsanlage teilweise durch eine Zusatzheizung (Trace Heating) kompensiert werden, herausgestellt. Werden die Wärmeverluste im Primärkreis falsch berechnet, so ergeben sich signifikante Abweichungen im Verlauf des Primärdrucks. Da alle Prozesse im weiteren druckgesteuert erfolgen, wirken sich Abweichungen im Primärdruck besonders stark auf den Verlauf der Transiente aus. Die Ergebnisse der Rechnungen zeigen darüberhinaus, daß die sicherheitsrelevante Aussage des Experiments durch den Code ATHLET reproduziert wird

Large Eddy Simulations for Dispersed bubbly Flows

In this paper we present detailed Euler-Euler Large Eddy Simulations (LES) of dispersed bubbly flow in a rectangular bubble column. The motivation of this study is to investigate potential of this approach for the prediction of bubbly flows, in terms of mean quantities. The set of physical models describing the momentum exchange between the phases was chosen according to previous experiences of the authors. Experimental data, Euler-Lagrange LES and unsteady Euler-Euler Reynolds-Averaged Navier-Stokes model are used for comparison. It was found that the presented modelling combination provides good agreement with experimental data for the mean flow and liquid velocity fluctuations. The energy spectrum made from the resolved velocity from Euler-Euler LES is presented and discussed

Two-phase flow behaviour during a medium size cold leg LOCA test on PMK-2 (IAEA - SPE-4)

The experiment to the IAEA standard problem exercise No. 4 was carried out in April 1993 on the integral test facility PMK-2 in Budapest. It was a 3.2 mm break on the downcomer head. The high pressure injection cooling was assumed to be not available. As an accident management measure bleed and feed on the secondary side of the steam generator was applied. Research Center Rossendorf contributed to the experiment of SPE-4 by supplying needle shaped conductivity probes for the measurement of local void fractions in the primary circuit of the PMK-II test facility. In the course of the standard problem exercise No. 4 RCR contributed with posttest calculations using the thermalhydraulic code ATHLET. The report comprises a description of the initial and boundary conditions of the test and a phenomenological description of the thermalhydraulic events during the transient. The void fraction probe signals yields valuable information for deeper understanding of the thermalhydraulic occurrences and for code validation. This was the case particularly for correction of the level measurement. A description of the thermalhydraulic occurrences from the viewpoint of code verification is given and the results of RELAP5 (KFKI-AEKI) and of ATHLET-calculations (RCR) are compared. Referring to this description, the sensitivity of the result to main influences is investigated using the ATHLET-code

CFD-modeling and Experiments of insulation debris transport phenomena in water flow

The investigation of insulation debris generation, transport and sedimentation becomes important with regard to reactor safety research for PWR and BWR, when considering the long-term behavior of emergency core cooling systems during all types of loss of coolant accidents (LOCA). The insulation debris released near the break during a LOCA incident consists of a mixture of disparate particle population that varies with size, shape, consistency and other properties. Some fractions of the released insulation debris can be transported into the reactor sump, where it may perturb/impinge on the emergency core cooling systems. Open questions of generic interest are the sedimentation of the insulation debris in a water pool, its possible re-suspension and transport in the sump water flow and the particle load on strainers and corresponding pressure drop. A joint research project on such questions is being performed in cooperation between the University of Applied Sciences Zittau/Görlitz and the Forschungszentrum Dresden-Rossendorf. The project deals with the experimental investigation of particle transport phenomena in coolant flow and the development of CFD models for its description. While the experiments are performed at the University at Zittau/Görlitz, the theoretical modeling efforts are concentrated at Forschungszentrum Dresden-Rossendorf. In the current paper the basic concepts for CFD modeling are described and feasibility studies including the conceptual design of the experiments are presented

Inhomogeneous MUSIG Model -a Population Balance Approach for Polydispersed Bubbly Flows

Abstract A generalized inhomogeneous Multiple Size Group (MUSIG) Model based on the Eulerian modeling framework was developed in close cooperation of ANSYS-CFX and Forschungszentrum Dresden-Rossendorf and implemented into CFX-10. Simulating a poly-dispersed gaseous liquid two phase flow along with the mass exchanged between bubble size classes by bubble coalescence and bubble break-up and the momentum exchange of bubble size dependent bubble forces have to be considered. Particularly the lift force has been proved to play an important role establishing a certain flow regime. The paper describes the main concepts of the model approach and presents a model validation case. Further application test cases are presented b