Experimental investigation and CFD simulation of slug flow in horizontal channels

For the investigation of stratified two-phase flow, two horizontal channels with rectangular cross-section were built at Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD). The channels allow the investigation of air/water co-current flows, especially the slug behaviour, at atmospheric pressure and room temperature. The test-sections are made of acrylic glass, so that optical techniques, like high-speed video observation or particle image velocimetry (PIV), can be applied for measurements. The rectangular cross-section was chosen to provide better observation possibilities. Moreover, dynamic pressure measurements were performed and synchronised with the high-speed camera system. CFD post-test simulations of stratified flows were performed using the code ANSYS CFX. The Euler-Euler two fluid model with the free surface option was applied on grids of minimum 4∙105 control volumes. The turbulence was modelled separately for each phase using the k-ω based shear stress transport (SST) turbulence model. The results compare well in terms of slug formation, velocity, and breaking. The qualitative agreement between calculation and experiment is encouraging and shows that CFD can be a useful tool in studying horizontal two-phase flow. Furthermore, CFD pre-test calculations were done to show the possibility of slug flow generation in a real geometry and at relevant parameters for nuclear reactor safety. The simulation was performed on a flat model representing the hot-leg of the German Konvoi-reactor, with water and saturated steam at 50 bar and 263.9°C. The results of the CFD-calculation show wave generation in the horizontal part of the hot-leg which grow to slugs in the region of the bend

Kühlmittelvermischung in Druckwasserreaktoren - Teil 2, Experimentelle Ausrüstung und Simulation der Vermischung

Das vorliegende Projekt hatte die Ermittlung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Kühlmittelparameter am Spaltzoneneintritt bei transienten Prozessen zum Ziel, bei denen an den einzelnen Kühlmitteleintrittsstutzen des Reaktors Unterschiede in der Borkonzentration bzw. in der Kühlmittel-temperatur auftreten. Die Sicherheitsrelevanz ist durch die Auswirkungen von Deborierungs- und Kaltwassertransienten auf die Leistungsfreisetzung im Reaktorkern gegeben.Mit Hilfe von Experimenten an einem Reaktormodell sowie durch Validierung und Nutzung eines dreidimensionalen Fluidynamikcodes (CFX-4) und durch Entwicklung eines vereinfachten Vermischungsmodells (SAPR) wurden die für die Ermittlung der reaktordynamischen Systemantwort notwendigen Tools zur Beschreibung der Verhältnisse am Kerneintritt geschaffen. Mit der Modellierung der räum-lich und zeitlich aufgelösten Bor- bzw. Temperaturverteilung im RDB wurden die Voraussetzungen für die gekoppelte neutronenkinetisch-thermohydraulische Simulation von Deborierungs- und Kaltwas-sertransienten und deren Sicherheitsbewertung entwickelt. Das Vorhaben beschränkt sich auf Vor-gänge ohne Verdampfung des Kühlmittels, die Vermischung innerhalb des Reaktorkerns bleibt aus-geklammert. Um Mehrfachzirkulationen von Temperatur- bzw. Borkonzentrationsstörungen im Pri-märkreis adäquat abbilden zu können, wurde auch die Vermischung im oberen Plenum behandelt. Zur Lösung der Aufgabe wurde die Versuchsanlage ROCOM (Rossendorf Coolant Mixing Model) aufgebaut. ROCOM ist ein 1:5-Modell eines KONVOI DWR. Durch die volle Abbildung aller vier Um-wälzschleifen, die flexible Versuchssteuerung sowie die speziell für ROCOM entwickelte Gittersen-sormesstechnik zur räumlich und zeitlich hochauflösenden Bestimmung von Konzentrationsverteilungen stellt ROCOM heute eine weltweit führende Versuchsanlage dar. Bei den Experimenten wurden transiente Konzentrationsverteilungen am Kerneintritt für alle gemäß Arbeitsplan zu betrach-tenden Szenarien ermittelt und zur Validierung von CFX-4 genutzt. Das vereinfachte Vermischungs-modell SAPR dient zur effizienten Kopplung zwischen dem thermohydraulischen Systemcode und dem dreidimensionalen neutronenkinetischen Kernmodell