Multi-Scale Thermal-hydraulic Developments for the Detailed Analysis of the Flow Conditions within the Reactor Pressure Vessel of Pressurized Water Reactors
Die mehrskalige thermohydraulische Analyse und die Entwicklung von mehrskaligen thermohydraulisch gekoppelten Programmen haben sich in den letzten Jahren zu einem vielversprechenden Gebiet im Bereich der Reaktortechnik entwickelt. Sie zielen darauf ab, die Fähigkeiten der thermohydraulischen Simulationswerkzeuge zu verbessern und die thermohydraulischen Phänomene in den Kernkraftsystemen umfassender zu beschreiben.
Die mehrskalige thermohydraulische Simulation eines Druckwasserreaktors (PWR) bildet den Schwerpunkt dieser Arbeit. Eine generische Klassifizierung der verschiedenen Multi-Skalen-Kopplungsansätze wird vorgeschlagen und die gekoppelten Programme und Methoden werden verglichen. Die Dissertation entwickelt zwei mehrskalige thermohydraulische Kopplungssysteme: 1) die Verbindung des Systemcodes TRACE der US Nuclear Regulatory Commission (NRC) mit dem Unterkanalprogramm SubChanFlow (SCF) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unter Verwendung einer externen Kommunikationsschnittstelle (ECI); 2) die Verbindung des US-amerikanischen NRC-Systemcodes TRACE mit dem französischen Open-Source-CFD-Code TrioCFD unter Verwendung der ICoCo-Methode (Interface for Code Coupling).
Die Kopplung TRACE / SCF-ECI wurde als serverloses, paralleles und explizites Kopplungssystem entwickelt, das die Methode der Domänenzerlegung anwendet. Ein neu entwickeltes Toolkit löst dabei die Feldzuordnungsprobleme. Dieses System wurde anhand eines akademischen Kühlmittelmischproblems für einen VVER-1000 als Referenz verifiziert und validiert. Es zeigt sich, dass der gekoppelte Code die Vermischung des Kühlmittels im Reaktordruckbehälter genauer vorhersagen kann. Darüber hinaus wurden die gekoppelten Codes optimiert, um effizienter zu arbeiten.
Die Kopplung von TRACE / TrioCFD mithilfe von ICoCo wurde als explizites Server-Client-Kopplungssystem entwickelt, das die domänenübergreifende Methode anwendet und die SALOME MED-Kopplungs-Bibliothek verwendet, um die Feldzuordnung und den Datentransfer zwischen verschiedenen Volumenzellen zu verwalten. Eine neuartige DIAS-Methode (Dynamic-Implicit-Additional-Source) wurde implementiert. Dabei werden die von der MED-Bibliothek aus TrioCFD übersetzten Felder für die Kühlmittelgeschwindigkeit, den Druck, die Kühlmitteltemperatur und die Borkonzentration verwendet, um die vier entsprechenden Felder in TRACE abzubilden. Die Übertragung findet in der gesamten überlappenden Domäne statt. Das Ergebnis wird mit dem VVER-1000-Referenzwert für die Kühlmittelvermischung verglichen, und die verbesserte Fähigkeit der Codes, das Mischen von Kühlmittel im Reaktordruckbehälter vorherzusagen, wird aufgezeigt
