Qucosa – Hemholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Not a member yet
801 research outputs found
Sort by
Annual Report 2008 Institute of Ion Beam Physics and Materials Research
Get PDFOutstanding scientific results and statistical overview of the Institute of Ion Beam Physics and Materials Research in 200
Untersuchung der Dynamik fluider Partikel auf Basis der Volume of Fluid Methode
Get PDFDie in dieser Arbeit vorgestellten Simulationen aufsteigender fluider Partikel wurden mit dem CFD-Programm FS3D durchgeführt, welches auf der Volume-of-Fluid (VoF) Methode basiert. Die Validierung des Codes erfolgt durch Vergleich der numerischen Lösungen für schleichende Strömungen mit analytischen Lösungen, wobei eine gute Übereinstimmung festgestellt wird. Im ersten Teil der Dissertation werden Simulationen für den freien Aufstieg von Öltropfen in Wasser mit experimentellen Beobachtungen hinsichtlich der Aufstiegsgeschwindigkeit, der Tropfenform und der Bewegungsbahn verglichen. Die Aufstiegsgeschwindigkeiten und Widerstandsbeiwerte sind vergleichbar, die simulierten Tropfen sind jedoch deutlich flacher. Dieser Unterschied kann durch Verunreinigungen der Grenzfläche im Experiment verursacht sein. Der Übergang von einem gradlinigen Aufstieg zu zickzack-förmigen Aufstiegsbahnen kann mit Hilfe der Simulationen auf Instabilitäten im Nachlauf der Blasen zurückgeführt werden, die zu einer periodischen Wirbelablösung führen. Im zweiten Teil der Dissertation wird der Aufstieg von Blasen in linearen Scherströmungen untersucht. Steigen die Blasen in einer vertikalen Scherströmung auf, so beobachtet man eine seitliche Migration. Diese seitliche Migration der Blasen wird durch die sogenannte Liftkraft verursacht, deren Vorzeichen und Betrag von der Blasengröße und den Stoffeigenschaften der Flüssigkeit abhängt. Die Simulationen zeigen, daß das Vorzeichen der Liftkraft für eher sphärische Blasen durch den Bernoulli-Effekt erklärt werden kann. An stark deformierten Blasen hingegen wirkt die Liftkraft in umgekehrter Richtung. Dieses Phänomen tritt auch in den Simulationen auf. Verschiedene Hypothesen für die Ursache dieses Phänomens werden überprüft. Die bekannteste experimentelle Korrelation für die Liftkraft von Tomiyama u.a. (2002) wird durch Simulation von realen Flüssigkeiten mit bekannten Stoffeigenschaften wie auch von Modellfluiden mit willkürlichen Stoffeigenschaften validiert und weitgehend bestätigt. Die Lift-Korrelation hat demnach hinsichtlich der Stoffeigenschaften der Flüssigkeit einen größeren Geltungsbereich, als bisher experimentell überprüft wurde. The simulations presented in this thesis were performed with the CFD code FS3D which is based on the Volume of Fluid method. The code is validated using analytical solutions for creeping flows and a good agreement is observed between simulation and analytical solution. In the first part of the thesis, the free rise of oil drops in water is simulated and compared with experimental observations. The results show that the rising velocities and the drag coefficients are similar in both cases, but the simulated drops are flatter (more oblate). This difference may be caused by impurities of the particle surface (surfactants) in the experiments. The simulations show that the transition from rectilinear to periodic trajectories is caused by instabilities in the wake, which lead to a periodic vortex shedding. In the second part of the thesis, the rise of bubbles in linear shear flows is investigated. If bubbles rise in a vertical shear flow, a lateral migration can be observed. This migration is caused by the so called lift force. Sign and magnitude of the lift force depend on the size of the bubble and the material properties of the liquid. The simulation results show that the sign of the lift force on spherical bubbles can be explained by the Bernoulli effect. However, the lift force on more distorted bubbles acts in the opposite direction. This phenomenon can also be observed in the simulation. In this work several hypotheses for the reason of this phenomenon are checked. Furthermore, most common correlation for the lift force (developed by Tomiyama et al. in 2002) is validated for fluids of known material and model fluids with arbitrary material data. The correlation is valid in a wider range of fluid material properties than proved experimentally up to now
Die numerische Auswertung von Kleinwinkelstreukurven
Get PDFAus dem Streubild der Kleinwinkelstreuung kann im Allgemeinen, die die Streuvertei-lung erzeugende Struktur nicht eindeutig rekonstruiert werden. Die Ursache dafür wird erörtert und die damit verbundenen Einschränkungen bei der rechnerischen Auswertung der Streukurven an Beispielen veranschaulicht. Dies geschieht an Streukurven, die mit bekannten Größenverteilungen berechnet wurden. Weiterhin wird untersucht, welche Fit- Ansätze sich zur Auswertung der Kleinwinkelstreuexperimente am besten eignen. Als Fit- Ansätze wurden Reihenentwicklungen nach Trigonometrischen- und Polynomfunkti-onen und eine theoretisch motivierte Funktion verwendet. Neben dem entscheidenden Vergleich mit der Streukurve der Ausgangsfunktion werden die Ergebnisse auch den Rechnungen gegenübergestellt, die mit der weit verbreiteten Glatter- Methode erzielt werden
Entwicklung einer Transportnäherung für das reaktordynamische Rechenprogramm DYN3D
Get PDFEs wurde eine SP3-Transportmethode entwickelt, die neutronenkinetische Rechnungen für die Kerne von Leichtwasserreaktoren mit höherer Genauigkeit als die gegenwärtig in der Kernauslegung angewandten Standardmethoden auf Basis der Zweigruppendiffusionsnäherung er-laubt. Eine Verbesserung der Genauigkeit von Abbrandrechnungen und der Berechnung von Tran-sienten ist für heterogene Kerne notwendig, in denen neben UO2-Brennelementen auch Mischoxyd – Brennelemente eingesetzt werden. In einem ersten Schritt wird die in dem Rechenprogramm DYN3D verwendete Zweigruppendiffusi-onsmethode auf viele Energiegruppen erweitert. Auf der Basis von Untersuchungen zu einer optima-len Gruppenstruktur wird die Verwendung von 8-10 Energiegruppen der Neutronen als optimal erach-tet. Das Verfahren wurde anhand von stationären und transienten Rechnungen für das OECD/NEA und US NRC PWR MOX/UO2 Core Transient Benchmark verifiziert. In den nächsten Schritten erfolgte die Entwicklung und Implementierung einer SP3-Näherung in DYN3D. Dabei besteht die Möglichkeit, ein feineres Gitter im BE zu benutzen. Das Verfahren wurde zunächst durch pinweise Berechnung stationärer Zustände des obigen Benchmarks verifiziert. Untersuchungen für das Benchmarkproblem zeigen, dass das Verhältniss des 2-ten Momentes zum 0-ten Moment des Flusses klein ist. Die beiden SP3-Gleichungen können deshalb separat in iterativer Weise gelöst werden. Dies reduziert den benötigten Speicherplatz und erfordert weniger CPU-Zeit. Dieses vereinfachte Verfahren wurde deshalb ebenfalls in das Programm implementiert. Es wird ge-zeigt, dass mit diesem Verfahren eine vergleichbare Genauigkeit erreicht wird. Stabweise Rechnun-gen mit 4, 8 und 16 Energiegrupppen wurden für einen stationären Zustand des Benchmarks durch-geführt. Eine 3-dimensionale Aufgabe des Benchmarks mit Rückkopplung und Vollleistung wurde mit dem optimierten SP3-Verfahren gerechnet. A SP3 transport approximation was developed for neutron kinetic calculations of cores of light water reactors with a higher accuracy than the present standard methods of core design based on the two group diffusion approximation. An improvement of accuracy for burnup and transient calculations is required for cores loaded with UO2 and MOX fuel assemblies. In the first step, the two group diffusion method applied in the computer code DYN3D was extended to an arbitrary number of groups. Investigations for an optimal group structure have shown that a number of 8 to 10 energy groups of neutrons seems to be reasonable. The multi-group technique was verified for steady states and transients of the OECD/NEA und US NRC PWR MOX/UO2 Core Tran-sient Benchmark. In the next steps, a SP3-approximation was developed and implemented into DYN3D. The possibility of using finer meshes inside the fuel assemblies is involved in this method. The technique was veri-fied by pinwise calculations for steady states of the above mentioned benchmark. The investigations to the benchmark problem have shown that ratio of the 2nd moment of flux to the 0th moment is small. Therefore the two coupled SP3 equations can be solved separately in an iterative way. The required computer memory and the CPU time can be reduced by this technique. This sim-pler method was also implemented in the code. It is shown that the reached accuracy is comparable to accuracy of the original technique. Pinwise calculations with 4, 8 and 16 energy groups were per-formed for a steady state of this benchmark. A three-dimensional problem of the benchmark at full power and with feedback was calculated with the optimized SP3 technique. The optimized method was used for the time integration of the transient SP3 equations. The pinwise calculation of a control rod ejection was tested for a simple system and the results were compared with the diffusion solution
Luft-Wasser Experimente im vertikalen DN200-Rohr
Get PDFDie im Rahmen dieser Versuchsserie erzielten umfangreichen experimentellen Ergebnisse bilden eine hochwertige Datenbasis für Luft-Wasser-Strömungen in einem vertikalen DN200-Rohr, die für die Entwicklung und Validierung von CFD-Modellen, beispielweise bzgl. Blasenkoaleszenz und -fragmentierung, genutzt werden können. Besonderes interessant ist die Untersuchung der Entwicklung der Zweiphasenströmung über der Rohrhöhe. Aus diesem Grund wurden für jede der 92 betrachteten Kombinationen aus Gas- und Wasser-Volumenstromdichten bis zu 18 Messungen mit variablen Abständen zwischen Gaseinspeisung und Messebene durchgeführt. Dabei wurde der Druck an der Gaseinspeisestelle konstant auf 0,25 MPa(a) gehalten. Diese Randbedingung bietet den Vorteil, dass die so gemessenen Daten die Entwicklung der Strömung über der Rohrhöhe widerspiegeln, d.h. eine Konfiguration beschreiben, bei der das Gas an einer festen Höhenposition eingespeist wird und die Messungen in verschiedenen darüberliegenden Ebenen erfolgen. Wesentliche Ergebnisse dieser Messserie sind radiale zeitgemittelte Profile für den Gasgehalt und die Gasgeschwindigkeit sowie zeit- und querschnittsgemittelte Blasengrößenverteilungen. Außerdem liegen blasengrößen- und ortsaufgelöste Gasgehaltsdaten vor. Wie bereits bei früheren Versuchsserien wurden auch in diesem Fall die Strömungsformen analysiert, wobei die Klassifizierung anhand der Blasengröße erfolgte. Ein wesentlicher Bestandteil dieser neuen Luft/Wasser-Versuche war die Qualitäts- und Plausibilitätsprüfung der Messdaten. Es konnte festgestellt werden, dass die Daten einen eindeutigen, widerspruchsfreien Trend bzgl. ihrer Entwicklung mit zunehmendem Abstand von der Gaseinspeisung aufweisen. Zur Plausibilitätsprüfung wurden Vergleiche des Gasgehaltsverlaufes über der Rohrhöhe mit theoretisch zu erwartenden Kurven durchgeführt. Zusätzlich zu diesen Ergebnissen enthält der Bericht eine Einschätzung des Einflusses des Bohrungsdurchmessers an der Gaseinspeisung auf die sich einstellende Strömung
CFD-Modellierung von Vermischungsvorgängen in Druckwasserreaktoren in Anwesenheit von Dichtegradienten
Get PDFIn der Reaktorsicherheitsforschung sind auftriebsgetriebene Strömungen von Relevanz für Störfall-szenarien mit Verdünnung der Borkonzentration und für thermische Schockbelastungen des Reak-tordruckbehälters. In der numerischen Simulation der Strömungen werden neben der Berücksichtigung der Auftriebskräfte Quell- und Korrekturterme in die Bilanzgleichungen für die turbulente Energie und die turbulente Dissipation eingeführt. Es wurden erweiterte Modelle entwickelt, in die zusätzliche Gleichungen für die Turbulenzgrößen turbulenter Massenstrom und Dichtevarianz eingehen. Die Modelle wurden in den CFD-Code ANSYS-CFX implementiert. Die Validierung der Modelle erfolgte an einem speziellen Versuchsaufbau (VeMix-Versuchsanlage), mit Einspeisung von Fluid höherer Dichte in eine Vorlage. Als Kriterien für die Validierung wurde der Umschlag zwischen impulsdominiertem Strömungsregime mit vertikalem Jet oder ein vertikales Absinken bei Dominanz von Dichteeffekten herangezogen sowie lokale Konzentrationsmessungen mit Hilfe eines speziell entwickelten Leitfähigkeits-Gittersensors. Eine Verbesserung der Simulation dichtedominierter Vermischungsprozesse mit den erweiterten Turbulenzmodellen konnte allerdings nicht nachgewiesen werden, da die Unterschiede zwischen den Rechnungen mit verschiedenen Turbulenzmodellen zu gering sind. Andererseits konnte jedoch die Simulation der Stratifikation von Fluiden unterschiedlicher Dichte im kalten Strang einer Reaktoranlage deutlich verbessert werden. Anhand der Nachrechnung von Ver-suchen am geometrisch ähnlichen Reaktor-Strömungsmodell ROCOM wurde gezeigt, dass diese Stratifikation von bedeutendem Einfluss auf die Vermischung und somit letztendlich auch auf die Temperatur- bzw. Borkonzentrationsverteilung innerhalb des Reaktordruckbehälters ist. Sie lässt sich nur korrekt simulieren, wenn ausreichend große Abschnitte des kalten Stranges mit modelliert werden. Somit konnte doch eine bessere Vorhersagegenauigkeit der Simulation der Vermischung erreicht werden. In reactor safety research, buoyancy driven flows are of relevance for boron dilution accidents or pressurised thermal shock scenarios. Concerning the numerical simulation of these flows, besides of the consideration of buoyancy forces, source and correction terms are introduced into the balance equations for the turbulent energy and its dissipation rate. Within the project, extended turbulence models have been developed by introducing additional balance equations for the turbulent quantities turbulent mass flow and density variance. The models have been implemented into the computati-onal fluid dynamics code ANSYS-CFX. The validation of the models was performed against tests at a special experimental set-up, the VeMix facility, were fluid of higher density was injected into a vertical test section filled with lighter fluid. As validation criteria the switching-over between a momentum controlled mixing pattern with a horizontal jet and buoyancy driven mixing with vertical sinking down of the heavier fluid was used. Additionally, measurement data gained from an especially developed conductivity wire mesh sensor were used. However, an improvement of the modelling of buoyancy driven mixing by use of the extended models could not be shown, because the differences between calculations with the different models were not relevant. On the other hand, the modelling of the stratification of fluids with different density in the cold leg of a reactor primary circuit could be significantly improved. It has been shown on calculations of experi-ments at the ROCOM mixing test facility, a scaled model of a real reactor plant, that this stratification is relevant as a boundary condition for the mixing process inside the reactor pressure vessel. It can be correctly simulated only if sufficient large parts of the cold legs are included in the modelling. On this way, an improvement of the accuracy of the prediction of mixing processes was achieved
