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Customising a System Code for the Analysis of the Thermal-Hydraulic Behaviour of a Supercritical Pressure Light Water Small Modular Reactor
No full textThe paper reports about the work performed in customizing the RELAP/SCDAPSIM code features for an easier assessment of a conceptual design of a Small Modular Reactor (SMR) operating at supercritical pressure proposed by Schulenberg and Otic [13] in the frame of the EU ECC-SMART Project. First unsuccessful attempts to make use of an NRC version of the RELAP5 code in the analysis of the thermal-hydraulic behaviour of the SCW SMR revealed numerical difficulties at the transition from supercritical to subcritical pressures. This suggested to activate a cooperation for customising an already existing version of the RELAP/SCDAPSIM code, aiming to overcome similar numerical problems and to implement heat transfer correlations in principle more appropriate for supercritical pressure conditions. The improved version of the code, featuring a user defined generalised correlation for heat transfer encompassing several of the presently available literature proposals, was applied in predicting rod-bundle experiments performed by Razumovskiy et al. [16-17] and in analysing the behaviour of the seven core flow passage reactor proposed in [13]. In the paper, the present capabilities of the code are discussed in front of the obtained results and perspectives for future developments are suggested
Transient Heat Transfer in an Out-of-Pile SCWR Fuel Assembly Test at Near-Critical Pressure
No full textWhile supercritical water is a perfect coolant with excellent heat transfer, a temporary decrease of the system pressure to subcritical conditions, either during intended transients or by accident, can easily cause a boiling crisis with significantly higher cladding temperatures of the fuel assemblies. These conditions have been tested in an out-of-pile experiment with a bundle of four heated rods in the supercritical water multipurpose loop (SWAMUP) facility coconstructed by CGNPC and SJTU in China. Some of the transient tests have been simulated at KIT with a one-dimensional (1D) matlab code, assuming quasi-steady-state flow conditions, but time dependent temperatures in the fuel rods. Heat transfer at supercritical and at near-critical conditions was modeled with a recent look-up table of Zahlan (2015, “Derivation of a Look-Up Table for Trans-Critical Heat Transfer in Water Cooled Tubes,” Ph.D. dissertation, University of Ottawa, Ottawa, ON, Canada.), and subcritical film boiling was modeled with the look-up table of Groeneveld et al. (2003, “A Look-Up Table for Fully Developed Film Boiling Heat Transfer,” Nucl. Eng. Des., 225(1), pp. 83–97.). Moreover, a conduction controlled rewetting process was included in the analyses, which is based on an analytical solution of Schulenberg and Raqué (2014, “Transient Heat Transfer During Depressurization From Supercritical Pressure,” Int. J. Heat Mass Transfer, 79(12), pp. 233–240.). The method could well reproduce the boiling crisis during depressurization from supercritical to subcritical pressure, including rewetting of the hot zone within some minutes, but the peak temperature was somewhat under-predicted. Tests with a lower heat flux, which did not cause such phenomena, could be predicted as well. In another test with increasing pressure, however, a boiling crisis was also observed at a heat flux, which was significantly lower than the critical heat flux (CHF) predicted by the CHF look-up table of Groeneveld et al. (2007, “The 2006 CHF Look-Up Table,” Nucl. Eng. Des., 237(15–17), pp. 1909–1922.). The paper is summarizing the physical models and the numerical approach. Comparison with experimental data is used to discuss the applicability of the method for the design of supercritical water-cooled reactors (SCWR).</jats:p
Zur numerischen Simulation der Ölstrahl-Zahnrad-Interaktion in Flugtriebwerken: Eine Studie mit SPH und VOF
No full textDas Getriebefan-Triebwerk gilt als zeitnahe Antwort auf ökonomische, ökologische und gesellschaftliche Forderungen nach effizienten und leisen Antrieben für die zivile Luftfahrt. Bei dieser Triebwerksarchitektur ist die Optimierung des Ölsystems im integralen Höchstleistungsgetriebe unerlässlich, insbesondere hinsichtlich dessen Kühlfunktion. Vorangegangene Untersuchungen haben gezeigt, dass der Ölausbreitung über die Zahnflanken infolge der Ölstrahl-Zahnrad-Interaktion (ÖZI) eine wichtige Rolle für die mittels Einspritzschmierung erzielte Kühlwirkung zukommt. Dennoch existiert bislang keine geeignete analytische oder experimentelle Methodik zur quantitativen Analyse der ÖZI, weshalb deren Charakterisierung lückenhaft ist. An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) wird die ÖZI zugänglich gemacht. Dabei werden die gitterbasierte Methode Volume of Fluid (VOF) und erstmals die partikelbasierte Methode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) eingesetzt. Letztere verspricht Limitierungen gitterbasierter Methoden bei der Modellierung der Zahnradbewegung – insbesondere des Zahnradeingriffs – und der komplexen Öl/Luft-Zweiphasenströmung zu überwinden.
In vergleichenden Studien wird zunächst unter Einbeziehung experimenteller Beobachtungen die Anwendbarkeit beider CFD-Verfahren hinsichtlich der Modellierungsmöglichkeiten, der Genauigkeit und der Recheneffizienz evaluiert und die Ergebnisse plausibilisiert. Die präsentierten SPH-Simulationen der ÖZI sind weltweit die ersten ihrer Art und zeigen eindrücklich das große Potenzial der Methode auf. Im Weiteren wird mittels der VOF-Methode der Einfluss ausgewählter Betriebs- und Geometrieparameter (Ölstrahlgeschwindigkeit, -durchmesser, -winkel und Zahnraddrehzahl) untersucht. Dazu wird die Ölstrahl-Interaktion mit einem einzelnen Zahnrad in 21 Betriebspunkten simuliert. Zur Analyse der Simulationsergebnisse werden mit dem zeitlichen Verlauf der Eindringtiefe, der Benetzungsfläche und des Ölfilmvolumens neue Metriken eingeführt. Dadurch wird die bisherige Beschreibung der ÖZI um quantitative räumliche und zeitliche Informationen zur Ölausbreitung auf den Zahnflanken erweitert. Als Haupteinflussgrößen werden die Aufpralltiefe, das Effektivvolumen und die Aufprall-Reynolds-Zahl identifiziert, die alle a priori bestimmbar sind. Die Erkenntnisse werden genutzt, um auf der generierten Datenbasis Korrelationen für die maximale Benetzungsfläche und die maximale Eindringtiefe zu bilden. Abschließend wird mittels der SPH-Methode die Ölstrahl-Interaktion mit zwei ineinandergreifenden Zahnrädern für drei Einspritzvarianten simuliert. Die Strömungsprozesse der ÖZI vor und hinter dem Eingriff einer Zahnradpaarung werden dadurch erstmals simulativ erfasst.
Mit den beschriebenen Simulationsmodellen, den detaillierten Simulationsergebnissen sowie den daraus gewonnenen Daten, Korrelationen und Erkenntnissen wird durch diese Arbeit die Optimierung des Ölsystems für Getriebefan-Triebwerke maßgeblich unterstützt und der Einsatz von CFD auf diesem Gebiet, speziell von SPH, weiter motiviert
Analysis and evaluation of Monika’s first result in bypass configuration
No full textTesis Energía y Ambiente (maestría) - Instituto Tecnológico de Buenos Aires - Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe, 2020El objetivo de esta tesis es mostrar, discutir y evaluar los resultados de la Central Eléctrica MoNiKa en régimen estacionario trabajando con diferentes partes de carga en operación de bypass. Los experimentos realizados para esta tesis durante el semestre de invierno de 2019, son los primeros
resultados que salen de la instalación. MoNiKa fue autorizada para operar a finales de 2018, y hoy
en día sigue en desarrollo.
El trabajo actual, estudiará la planta de energía para definir su situación real. Las principales cuestiones a responder fueron la cuestión de la fiabilidad y la precisión de los datos medidos. Definir el grado de fiabilidad de las mediciones, es esencial para tener un punto de partida para llevar a
cabo una correcta evaluación de la instalación. Así como las condiciones límite y los límites operacionales de la central. Cada prueba realizada en este trabajo contribuye a tener una mejor comprensión de la instalación y sus componentes. Además, contribuye a construir el conocimiento
del MoNiKa. Y determinará la base para los próximos pasos de la investigación.
Un software desarrollado por el instituto fue la principal herramienta utilizada para analizar la información obtenida de la instalación. GESI (Simulación Geotérmica). La definición de las necesidades de entrada para hacer coincidir el modelo con la instalación fue parte del desafío en
este trabajo también.
La comparación de los resultados del MoNiKa con el GESI se convierte en un proceso de retroalimentación. Donde al final de cada paso, se obtuvo una mejor comprensión de la instalación. Como resultado, se estudió en profundidad toda la prosa, la central eléctrica, y se desarrolló un
módulo de GESI para simular futuros escenarios de MoNiKa
Messung und Modellierung der Siedekrise bei oszillierender Massenstromdichte
No full textDie technische Sicherheit von Kernreaktoren ist von entscheidender Bedeutung, sowohl während dem normalen
Betrieb als auch bei Störfällen. Nach dem Einsetzen eines schweren Kühlmittelverluststörfalls und der
Durchführung der Reaktorschnellabschaltung, muss die Nachzerfallswärme abgeführt werden, um eine
Zerstörung der Kraftwerksstrukturen und ein Austreten der Kernschmelze in die Umgebung zu verhindern.
Während bei aktiven Sicherheitssystemen zur Nachzerfallswärmeabfuhr die Wahrscheinlichkeit besteht, dass die
Energieversorgung ausfällt und das System seine Funktion nicht erfüllt, arbeiten passive Sicherheitssysteme
autonom und erfüllen ihre Funktion unabhängig von der Energieversorgung. Der Antrieb von solchen passiven
Sicherheitssystemen ist die Nachzerfallswärme selbst, da diese meist auf Naturkonvektion oder Wärmestrahlung
basiert.
Ein Beispiel für ein passives Sicherheitssystem stellt das sogenannte „In Vessel Retention through External
Reactor Vessel Cooling“ (IVR ERVC) dar. Im Gegensatz zum Kernfänger (Core-Catcher) wird beim IVR ERVC die
Reaktorgrube mit Wasser aus einem höher liegenden Becken geflutet. Das Wasser tritt in einen Strömungspfad
zwischen Reaktordruckbehälter (RDB) und Isolation ein, strömt am RDB entlang und verdampft. Durch den
statischen Auftrieb steigt der Dampf auf, bis er im Containment kondensiert und sich wieder im Becken als
Kondensat sammelt. Da die Nachzerfallswärme hierbei durch Verdampfung abgeführt wird, stellt das Eintreten
der Siedekrise das Ausfallkriterium für dieses passive Sicherheitssystem dar.
Seitdem das IVR ERVC für den Einsatz in Leichtwasserreaktoren vorgeschlagen wurde, sind zahlreiche Studien
durchgeführt worden, welche sowohl das Strömungsverhalten als auch die Siedekrise im IVR ERVCStr
ömungspfad untersucht haben. Es stellte sich heraus, dass aufgrund von Zweiphaseninstabilitäten
Massenstromoszillationen auftreten können. Wobei sich die Parameter der Massenstromoszillationen je nach
geometrischer Konfiguration des Systems unterscheiden können. Somit ist die Kenntnis über den Einfluss von
Massenstromoszillationen in Abhängigkeit der Parameter Oszillationsperiode und Amplitude auf die Siedekrise
bei der Auslegung des IVR ERVC von hoher Bedeutung.
Da das Wissen über den Einfluss von Massenstromoszillationen auf die Siedekrise (1.er Art), wie sie im IVR ERVC
auftritt, sehr begrenzt ist, liefert diese Arbeit durch die experimentelle Untersuchung des Einflusses der
Oszillationsparameter auf die Siedekrise einen wichtigen Beitrag. Hierbei wurde die Messmatrix für die
Experimente basierend auf früheren Studien zum Strömungsverhalten im IVR ERVC bestimmt. Um den Einfluss
von Oszillationen zu untersuchen, wurden Versuche sowohl bei stationärer als auch bei oszillierender
Massenstromdichte durchgeführt.
Basierend auf der Analyse und dem Vergleich der Messdaten aus dieser Studie mit früheren, wurde eine
Korrelation aus der Literatur weiterentwickelt, welche in der Lage ist, die kritische Wärmestromdichte im IVR
ERVC- Strömungspfad in Abhängigkeit der Massenstromdichte, Eintrittsunterkühlung und geometrischer
Parameter des Strömungspfades am obersten zylindrischen Teil des RDB zu berechnen. Zudem wurde eine
physikalische begründete Korrelation aufgestellt, welche die kritische Wärmestromdichte in Abhängigkeit des
Kanalneigungswinkels berechnen kann.
Aus der Betrachtung der experimentellen Daten der Versuche bei oszillierender Massenstromdichte hat sich
ergeben, dass Massenstromdichteoszillationen in Abhängigkeit von den restlichen Randbedingungen sowohl zu
einer Herabsenkung als auch zu einem Anstieg der kritischen Wärmestromdichte führen können. Es wurde ein
Ansatz zur Berechnung der kritischen Wärmestromdichte bei oszillierender Massenstromdichte ausgearbeitet,
welcher auf einem Modell zur instationären Wärmeleitung bei oszillierender Temperaturrandbedingung basiert.
Der Ansatz kann jedoch nur eine mögliche Herabsenkung der Siedekrise durch die Oszillationen berücksichtigen,
womit dieser als konservativ betrachtet werden kann
Experimentelle Untersuchungen zur kritischen Wärmestromdichte und zum Post-Dryout-Wärmeübergang mit R-134a unter hohen Drücken
No full textDa der weltweite Bedarf an elektrischer Energie rapide wächst, muss die Anzahl an Energieerzeugern
entsprechend erhöht werden. Gleichzeitig steigen die CO2-Emissionen infolge der Nutzung
fossiler Brennstoffe. Um der damit einhergehenden Klimaerwärmung entgegenzuwirken, ist die
Erzeugung CO2-armer Energie unerlässlich. Vor diesem Hintergrund entstehen weltweit neue
Kernreaktoren und damit verbundene Dampferzeuger. Diese Anlagen arbeiten unter Betriebsbedingungen,
die von niedrigen bis sehr hohen unterkritischen Drücken und darüber hinaus reichen.
Im Bereich des siedenden Wärmeübergangs kann es dabei unter bestimmten thermohydraulischen
Bedingungen zur Siedekrise kommen, bei der zwischen Departure from Nucleate Boiling (DNB)
und Dryout zu unterscheiden ist. Anschließend an den Dryout tritt der sogenannte Post-Dryout-
Bereich auf, der durch eine Dampfströmung mit dispersen Flüssigkeitstropfen gekennzeichnet
ist. Diese Phänomene sind hochkomplex und beeinflussen die Wärmeübertragung während des
Verdampfungsprozesses maßgeblich. Während diese Phänomene sowie die Wärmeübertragung
bereits umfangreich im niedrigen und überkritischen Druckbereich untersucht wurden, sind die
zugrunde liegenden Mechanismen und Charakteristika im hohen unterkritischen Druckbereich
bislang noch nicht vollständig erforscht.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Siedekrise, die damit verbundene kritische Wärmestromdichte sowie
den Post-Dryout-Wärmeübergang und das in diesem Bereich einflussreiche Tropfenverhalten unter
hohen unterkritischen Druckbedingungen experimentell zu untersuchen. Dazu werden drei umfangreiche
Versuchsreihen mit zwei unterschiedlichen Teststrecken unter Verwendung des Kältemittels
R-134a durchgeführt. Die erste Teststrecke ist ein vertikal beheiztes Rohr und die zweite Teststrecke
verfügt über optische Zugänge, um mittels Hochgeschwindigkeitskamera-Aufnahmen das Verhalten
der dispersen Flüssigkeitstropfen im Post-Dryout-Bereich analysieren zu können. Untersucht wird
dabei der Einfluss des Systemdrucks, vor allem nahe des kritischen Drucks, der lokalen Dampfqualität
sowie der Massen- und Wärmestromdichte auf den Wärmeübergang, das Tropfenverhalten und
das Auftreten der Siedekrise. Auch selten beobachtete Phänomene wie das Auftreten der Siedekrise
vor dem Ende der beheizten Länge unter sehr hohen Druckbedingungen oder ein Wandtemperaturabfall
vor dem Erscheinen der Siedekrise unter niedrigen Drücken werden ausführlich diskutiert
und begründet. Des Weiteren wird der Einfluss der in der zweiten Teststrecke eingebauten Abstandshalter
diskutiert und die Vorhersagegenauigkeit von entsprechenden Korrelationen bewertet.
Basierend auf der gewonnenen Datenbasis werden Vorhersagemethoden aus der Literatur bewertet
sowie eine neue Korrelation zur Berechnung des Post-Dryout-Wärmeübergangs für hohe Drücke
entwickelt. Ergänzend wird ein künstliches neuronales Netz auf Basis der experimentellen Daten
trainiert und dessen Ergebnisse bewertet
Lindsey Thordarson and Tom Love READ Poster
No full textLindsey Thordarson, Linfield student, class of 2008, reading Birds of Peru, by Thomas S. Schulenberg, Douglas F. Stotz, Daniel F. Lane, and John P. O\u27Neill, and Tom Love, Professor of Anthropology, reading The Collapse of Complex Societies (New Studies in Archaeology), by Joseph A. Tainter.https://digitalcommons.linfield.edu/libraries_read/1039/thumbnail.jp
Design of a MoNiKa-ORC-turbine model in Simulink and comparison with experimental results
No full textThis work consists in the development of a computational model for the steam turbine currently operational in MoNiKa test facility plant, located in KIT-Campus Nord, Germany. Given that this corresponds to the first attempt to model the mentioned turbine, the selected approach was to elaborate a highly simplified model that considers the system as a whole, unique element, and therefore calculates in terms of the turbine’s inlet and outlet parameters. The development was made in Simulink, using a basic configuration of blocks and features, and also some specific parts were coded in MATLAB. The building process resulted firstly in a simplified version of the model that supports constant inputs and outputs and consequently is independent of time; and a final version that supports time-dependent inputs and outputs, and can be employed to simulate transient operation conditions. The validation was made using real data provided by the plant, with a selection of several cases that reflected different operation conditions. Final results showed that the model is successful in predicting stationary operation cases, and also achieved good results with some transient operation conditions that presented progressive variations. However, the model is not suitable for simulation of fast-varying conditions
CFD simulation of a hydrogen explosion experiment in an ISO container
No full text"The EU project HySEA is dedicated to explosion risk reduction by deflagration venting of industrial hydrogen installations. In 20-foot ISO containers, several experiments have been conducted to provide data for combustion model improvement and validation. The first experimental campaign included a blindprediction study concerning two lean premixed configurations. The hydrogen research group of IKET submitted a model prediction based on the in-house code COM3D. The experimental results were not matched. Therefore, the objective of this thesis was to improve the predictability of the CFD code by carrying out post-blind simulations. Over the course of this work, the roles of thermodiffusive instability and the turbulent flame speed model in the process of flame
acceleration were analyzed and clarified. As a consequence, the numerical model for the transition from laminar to turbulent flame speed was developed and implemented in the COM3D code. Validating simulations demonstrated satisfactory agreement compared to the experimental results. This represents a first step toward extending the applicability of the code to a wider range of combustion scenarios.""Das EU-Projekt HySEA widmet sich der Verminderung von Explosionsrisiken durch Deflagrationsentlüftung industrieller Wasserstoff-Anlagen. Zur Weiterentwicklung und Validierung von Verbrennungsmodellen wurden verschiedene Experimente in 20-Fuß ISO Containern durchgeführt. Die erste Testkampagne beinhaltete die Blindvorhersage von zwei mageren vorgemischten Versuchsanordnungen.
Die Wasserstoff-Gruppe des IKET reichte auf der Basis des
institutseigenen COM3D Codes eine Modellvorhersage ein, welche keine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den Experimenten zeigte. Das Ziel dieser Arbeit war daher, die Vorhersagbarkeit des CFD Codes anhand nachgelagerter
Berechnungen zu verbessern. Im Hinblick auf den Prozess der Flammenbeschleunigung wurden insbesondere die Rolle thermodiffusiver Instabilität und das Modell turbulenter Flammengeschwindigkeit analysiert und geklärt.
Daraus folgte die Weiterentwicklung des numerischen Modells des Übergangs von laminarer zu turbulenter Flammengeschwindigkeit sowie dessen Implementierung
in den COM3D Code. Validierungsrechnungen zeigten erfolgreiche Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Dies stellt einen ersten Schritt zur Erweiterung des Anwendungsspektrums des Codes für weitere Verbrennungsszenarien dar."Tesis Energía y Ambiente (maestría) - Instituto Tecnológico de Buenos Aires, Buenos Aires - Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe, 201
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