Numerical Studies of Nuclear Containment Spray Process by Stochastic Field Method and CGCFD approach

Die Kernenergie ist eine der grundlegenden Technologien zur Deckung des weltweiten Stromversorgungsbedarfs. Aufgrund des geringen CO2-Ausstoßes, welcher durch Kernenergie verursacht wird, stellt die Kernenergie in den Augen der Befürworter eine der bedeutendsten Optionen im neuen Jahrhundert dar. Die nukleare Sicherheit ist das entscheidende Thema beim Betrieb von Kernreaktoren und bei der (Weiter-) Entwicklung von Reaktorkonzepten, da die Zerfallsprodukte der Kernspaltungsreaktion eine hohe Radiotoxizität aufweisen. Unter allen Fragestellungen der nuklearen Sicherheitsforschung bleibt die Vorhersagegenauigkeit von nuklearen Sicherheitsanalysen eines der wichtigsten Themen. In den letzten 60 Jahren ereigneten sich drei schwere nukleare Unfälle, die enormen Schaden verursacht haben. Betroffen war nicht nur das Leben einzelner, sondern der Zusammenhalt der ganzen Gesellschaft. Bei der jüngsten nuklearen Katastrophe von Fukushima Daiichi wird fest davon ausgegangen, dass die im Sicherheitsbehälter aufgetretene Wasserstoffexplosion der ursächliche Auslöser für die schlussendliche Freisetzung von Radioaktivität an die Umgebung war. Im Falle schwerer Störfälle stellt das nukleare Containment die letzte Schutzbarriere des Kernkraftwerks gegenüber der Umgebung dar. Dieses Containment ist einer lang anhaltenden Erwärmung und hohen Drücken ausgesetzt. Um zu verhindern, dass der Sicherheitsbehälter während eines nuklearen Unfalls versagt, werden Sprühsysteme eingesetzt, welche die Atmosphäre im Sicherheitsbehälter kühlen. Aus diesem Grund betrachtet diese vorgelegte Dissertationsschrift den Themenkomplex der Sprühkühlungsmodellierung zur Eindämmung der Folgen schwerer nuklearer Störfälle. Bei der Analyse der Vorgänge während eines Störfalls stellt schon alleine die ausgedehnte räumliche Dimension eines Kernkraftwerks und dessen Containments den Wissenschaftler vor Herausforderungen. Traditionell wird auf einen experimentellen Ansatz zurückgegriffen, wenn Sprühprozesse im Containment untersucht werden. Allerdings treiben die hohen Kosten, für den Bau geeigneter Versuchsanlagen und die Durchführung von Messkampagnen, die Projektkosten von Kernkraftwerksneubauprojekten erheblich in die Höhe. Andererseits, mit der stetig wachsenden Leistungsfähigkeit von Computern, wird die numerische Berechnung mittels der Computational Fluid Dynamics (CFD) im Konstruktionsprozess immer beliebter. Das Fehlen hinreichend zuverlässiger physikalischer Sprühstrahlmodelle und die nach wie vor unbefriedigende Effizienz bei der Vorhersage von großräumigen Problemen, schränken jedoch die Anwendung von CFD in Sprühkühlungsstudien zur Begrenzung der Unfallfolgen bei schweren nuklearen Störfällen ein. In dieser Arbeit wird die Analyse von Spühstrahlen im Containment eines Kernreaktors unter besonderer Berücksichtigung zweier Aspekte betrachtet: Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit. Für die Mission „Zuverlässigkeit“ wird ein geeigneter Modellierungsansatz für Sprühnebel, welcher auch auf bei räumlich ausgedehnten Problemen anwendbar ist, abgeleitet. Darüber hinaus wird diskutiert wie die Turbulenz-Tröpfchen-Wechselwirkungen beschrieben werden kann. Der Lagrange-Ansatz, der Mischungsansatz und der Euler-Ansatz zur Modellierung der diskreten Flüssigkeitströpfchen werden auf drei verschiedene Arten diskutiert und verglichen, um eine geeignete Modellwahl zu treffen. Die Modellierung von Austauschtermen für Masse-, Impuls- und Energie wird vorgestellt und diskutiert. Eine geeignete thermophysikalische Modellierung, einschließlich eines neuen Gasfilm-basierten Verdampfungsmodells, wird vorgestellt. Nachdem der geeignetste Modellierungsansatz für den Sprühprozess abgeleitet wurde, wird der Umgang mit den nichtlinearen Eigenschaften des turbulenten Transports von Sprühtröpfchen weiter diskutiert. Die PDF-Methode wird detailliert vorgestellt. Für großskalige Sprühkühlungsprobleme wird die Anwendung einer Euler‘schen Realisierung, der stochastischen Feldmethode, ausführlich diskutiert. Dabei gilt der Handhabung von Stoff- und Wärmeübertragung ein besonderes Augenmerk. Für die Geschwindigkeitsmission wird eine kürzlich entwickelte Coarse Grid CFD-Methode vorgestellt und diskutiert. Mit dieser lassen sich Probleme effizient vorhersagen, indem vorausgehende detaillierte Simulationsdaten gut genutzt werden, um insbesondere Grobstrukturmodelle für die Flussterme in den Gleichungen abzuleiten. Eine neue physikalisch basierte Flusskorrektur wird eingeführt und mit dem ursprünglichen geometrischen Flusskorrekturansatz verglichen. Einige Techniken zur Behandlung singulärer Probleme in der Coarse Grid CFD-Simulation werden ebenfalls diskutiert. Im Fallstudienteil wird zunächst der THAI-Benchmark zur Validierung des Sprühmodellierungsansatzes verwendet. Zusätzlich wird ein Trocknergehäuse mit ähnlichen geometrischen und physikalischen Eigenschaften betrachtet. Bewertet wird die stochastische Feldmethode zur Berücksichtigung turbulenter Wechselwirkungen mit Sprühtröpfchen. Zuletzt wird die Coarse Grid CFD mit einem physikalisch basierten Flusskorrekturansatz validiert. Betrachtet wird als kerntechnische Anwendung ein prototypisches Brennelementbündel mit Drahtwendelabstandshalter. Im Ausblick wird der Trocknerfall erneut untersucht, um die Kombination aller oben diskutierter Ansätze für die Sprühstrahlsimulation bei typischen Betriebsparametern zu testen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Arbeit einerseits die Praktikabilität eines Euler‘schen Ansatzes in Form der Stochastischen Feldmethode zur Bereitstellung zuverlässiger Simulationsergebnisse demonstriert und andererseits die Eignung der Coarse Grid CFD für schnelle Vorhersagen bei großen Problemen zeigt

A Joint Low-Power Cell Search and Frequency Tracking Scheme in NB-IoT Systems for Green Internet of Things

As a dedicated communication protocol for Internet-of-Things, narrowband internet of things (NB-IoT) needs to establish the communication link rapidly and reduce retransmissions as much as possible to achieve low power consumption and stable performance. To achieve these targets, the low-power scheme of the initial cell search and frequency tracking is investigated in this paper. The cell search process can be subdivided into narrowband primary synchronization signal (NPSS) detection and narrowband secondary synchronization signal (NSSS) detection. We present an NPSS detection method whose timing metric is composed of symbol-wise autocorrelation and a dedicated normalization factor. After the detection of NPSS, the symbol timing and fractional frequency offset estimation is implemented in a resource-efficient way. NSSS detection is conducted in the frequency domain with a calculation-reduced algorithm based on the features of NSSS sequences. To compensate the accumulated frequency offset during uplink transmission, a pilot-aided rapid frequency tracking algorithm is proposed. The simulation results of the proposed cell search scheme are outstanding in both normal coverage and extended coverage NB-IoT scenarios, and the accumulated frequency offset can be estimated with high efficiency

Toughening Mechanism of Directional Fabric Woven Net and/or Non-Directional Short-Cut Fiber-Reinforced Sprayed Cement Mortar Thin-Plates

In this paper, a non-directional short-cut polyvinyl alcohol fiber (PVA), directional carbon-glass fabric woven net, and a combination of these fibers were used to reinforce sprayed cement mortar (named FRCM-SP, FRCM-CN, and FRCM-PN accordingly), and the direct tensile and four-point bending tests of these three types of thin plates were conducted. It was shown that the direct tensile strength of FRCM-PN reached 7.22 MPa under the same cement mortar matrix, which was 175.6% and 198.3% higher than that of FRCM-SP and FRCM-CN, respectively; the ultimate tensile strain of FRCM-PN was 3.34%, which was 65.3% and 1291.7% higher than that of FRCM-SP and FRCM-CN, respectively. Similarly, the ultimate flexural strength of FRCM-PN reached 33.67 MPa, which was 182.5% and 519.6% higher than that of FRCM-SP and FRCM-CN, respectively. In addition, the tensile, bending toughness index, and residual strength factor of FRCM-PN were much higher than those of FRCM-SP and FRCM-CN, indicating that the incorporation of non-directional short-cut PVA fibers improved the interfacial bonding properties between the cement mortar matrix and the fiber yarn and significantly enhanced the toughness and energy dissipation capacity of the sprayed cement mortar. Therefore, the use of a certain amount of non-directional short-cut PVA fibers can improve the interfacial bonding properties between the cement mortar and the fabric woven net while ensuring the spraying performance and significantly improving the reinforcing and toughening effect on the cement mortar to meet the demand for large-area rapid construction and structural seismic reinforcement

UAV Monitoring Topsoil Moisture in an Alpine Meadow on the Qinghai–Tibet Plateau

Soil moisture is one of the most critical soil components for sustained plant growth and grassland management. Unmanned aerial vehicles (UAVs) are gradually replacing manual labor in various aspects of grassland management. However, their potential for monitoring soil moisture in grasslands remains largely unexplored. High vegetation coverage and frequent rainfall in the Tibetan Plateau pose a challenge for personnel working in alpine meadows. To explore the potential of UAV technology for soil moisture detection in these areas, we conducted a rainfall reduction experiment in Maqu County, China to understand the relationships among soil moisture, vegetation coverage, and visible-light images captured using UAVs. The findings indicated a significant correlation between topsoil moisture and the brightness values in visible-light images acquired by UAVs (p E = 0.8291, RS = −3.58%, RMA = 10.38%, RMSE = 3.5878, Pearson’s r = 0.9631, PSI = 0.0125). This study further addresses the problem of topsoil moisture measurement in flat areas of mesoscale moist alpine meadows and is expected to facilitate the widespread adoption of UAV use in grassland ecology research

Information collection system of duck products based on IoT

Abstract In view of the problems existing in the processing of duck products, such as complicated technology, difficulties in information collection and information linkage, and lack of dedicated information collection equipment, the duck product traceability information of the Institute of Things automatic collection system was developed. Acquisition system is mainly composed of sensing terminals, bus structure, and host computer management system. Perceiving the terminal can automatically perceive the information of each link and transmit the perception information to the upper computer management system through the bus. The upper computer management system realizes the functions of storing the sensing information, intelligent analysis, and alarm prompting. The long-term operation results show that the system performance is stable and reliable; the collection of data is efficient, complete, and accurate; and the degree of automation of the system is high, which significantly improves the product quality and safety supervision capabilities of the company

Channel Estimation and Peak-to-Average Power Ratio Analysis of Narrowband Internet of Things Uplink Systems

Narrowband Internet of Things (NB-IoT) is a cellular based promising low-power wide-area network (LPWN) technology standardized by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) in release-13 as a part of the future 5th Generation (5G) wireless communication systems. The main design target of NB-IoT was to enhance radio coverage by repeating signal over an additional period of time for the ultralow-end IoT devices that would be operated in extreme coverage environments. But the power efficiency of the low-cost NB-IoT user equipment (NB-IoT UE) in the uplink is the major concern. Coverage improvement from signal repetitions depends on the channel estimation quality at extremely bad radio conditions. The typical operating signal-to-noise ratio (SNR) for NB-IoT is expected to be much lower than the zero. In this paper, we have proposed two efficient narrowband demodulation reference signal (NDMRS)-assisted channel estimation algorithms based on the conventional least squares (LS) and minimum mean square error (MMSE) estimation methods. The theoretical analysis and the link-level performance of our proposed estimation methods are presented. Simulation results exhibit that the proposed methods provide better estimation precision compared to the traditional LS and MMSE methods at the low SNR situations. Furthermore, we have analyzed the raised-cosine (RC) and square-root-raised cosine (RRC) pulse shaping to reduce peak-to-average power ratio (PAPR) as an uplink transmit filter. The PAPR values are evaluated through extensive computer simulations for both single-tone and multi-tone transmissions. Our evaluation results vindicate that the RRC pulse shaping with lower PAPR values is feasible to design of practical NB-IoT uplink transmitter and increases power efficiency

Multiple cutting increases forage productivity and enhances legume pasture stability in a rainfed agroecosystem

Appropriate harvesting management is essential for sustainable forage production and improving nutritional quality. In this study, four forage crops, including Medicago sativa (Ms), Vicia sativa (Vs), Avena sativa (As), and Sorghum Sudangrass (Ss) were evaluated under two harvesting modes, i.e. single harvest and multiple cuttings. Results showed that multiple cuttings increased the forage yield of Ms., As, and Ss by 82 %–114 %, 7.5 %–51 %, and 21 %–150 % compared to the single harvest. The acid and neutral detergent fiber concentration decreased, while crude protein contents increased with multiple cuttings. Also, multiple cuttings increased the ether extract content of Ms. and Ss and reduced the ash content by 9.42 % to 33.04 % from 2015 to 2016. The variation range of legume forages' annual yield was 18.66 %–33.04 %, while that of gramineous forages was 9.42 %–25.98 %. The relative feeding value (RFV) of Ms. was higher than that of other forages under multiple cuttings. In general, multiple cuttings decreased the SOC content, but the effect was insignificant for the two leguminous forages. Correlations analysis showed a significant positive relationship of RFV and CP with precipitation while a negative relationship of ADF and NDF with temperature. Moreover, results of yield stability, contribution rate, and TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution) analysis showed that the response of legume crops to multiple cutting was superior to that of gramineous crops. Overall, the cultivation of leguminous forage under multiple cuttings can provide a basis for the development of pastoral agriculture production and animal husbandry in arid regions of China