This study quantifies the influence of debris cages on critical submergence at vertical intakes in reservoir configurations. Four model debris cages were constructed of light panel material. A vertical intake protruding one pipe diameter above the floor of a model reservoir was tested in six configurations: open intake pipe, a debris grate placed directly over the intake pipe, and debris cages representing widths of 1.5*d and 2*d and heights of 1.5*c and 2*c, where d is diameter of the intake and c is height of intake above reservoir floor. A selection of top grating configurations and a submerged raft configuration were also tested for comparison. Testing of the model debris cages indicates that the roof or top grate of a debris cage dominates the influence a debris cage has on the reduction of critical submergence of air-core vortices. The side grates of a debris cage have some influence on the formation of vortices. The spacing of bars in the top grate has an influence on air-core vortex development. The presence of a debris cage at vertical intakes in still-water reservoirs reduces the critical submergence required to avoid air-core vortices and completely eliminates the air-core vortex for cases where the water surface elevation remains above the top grate of the debris cage. The potential exists for designing debris cages to fulfill a secondary function of air-core vortex suppression.

The aim of this experimental study was to investigate the hydraulic conditions at which air-entraining vortices would form in front of horizontal intakes and to determine the ways of eliminating the formation of these vortices by testing anti-vortex devices. For these reasons, a series of experiments were conducted in an experimental setup composed of a reservoir having the dimensions of 3.10 m x 3.10 m x 2.20 m and a pump connected to the intake pipe. Within the reservoir, between the concrete side walls adjustable plexiglass side walls were placed to provide the desired wall clearance for the intake pipes. Six pipes of different diameters / 5 cm, 10 cm, 14.4 cm, 19.4 cm, 25 cm and 30 cm were horizontally mounted on the front side of the reservoir one by one, and for each case, a wide range of discharges was provided from the reservoir by the pump. Under symmetrical approach flow conditions and zero bottom wall clearance, the experiments were repeated for each intake pipe and the &ldquo / critical submergence depths&rdquo / for the tested discharges were determined. At some of the discharges, the effect of horizontal plates located on the top of the pipe entrance as anti-vortex devices on the elimination of the vortices was investigated. The measured critical submergence depths were related in dimensionless form to the relevant dimensionless parameters and empirical equations were derived. These equations were compared with similar ones available in the literature and it was shown that the agreement between them was quite good.

In the present study, possible scale effects on the formation of air-entraining vortices at horizontal intakes are studied experimentally. Basic dimensionless parameters that govern the onset of vortices at a horizontal intake in a model and a prototype are stated by dimensional analysis. Series of experiments are conducted on four intake pipes of different diameters located in a large reservoir. The relationship of critical submergence ratio with other dimensionless parameters is considered for a given Froude number and it is found out that the critical submergence ratio is affected by model length scale ratio and its natural result of side-wall clearance ratio and Reynolds number differences between model and prototypes. It is observed that, side-wall clearance ratio is not effective on the critical submergence ratio after it exceeds about 6. In addition to this, Reynolds number limit, beyond which viscous forces do not affect the vortex flow, is found out to be increasing with the increase in Froude number. An empirical relationship, which gives the critical submergence ratio as a function of Froude number, side-wall clearance ratio and Reynolds number is obtained by using data collected in the experiments.

If air is entrained in a bottom outlet of a dam in an uncontrolled way, the resulting air pockets may cause problems such as blowback, blowout and loss of discharge capacity. In order to provide guidance for bottom outlet design and operation, this study examines how governing parameters affect air entrainment, air-pocket transport and de-aeration and the surrounding flow structure in pipe flows. Both experimental and numerical approaches are used. Air can be entrained into the bottom outlet conduit due to vortex formation at the intake if the intake submergence is not sufficient. The influent of the intake entrance profiles and channel width on the critical submergence were studied in the experiment. The experimental study was performed to investigate the incipient motion of air pockets in pipes with rectangular and circular cross sections. The critical velocity is dependent on pipe slope, pipe diameter, pipe roughness and air-pocket volume. If the pipe is horizontal, air removal is generally easier in a rectangular pipe than in a circular pipe. However, if the pipe is downward-inclined, air removal is easier in a circular pipe. When a bottom outlet gate opens, air can become entrained into the conduit in the gate shaft downstream of the gate. Using FLUENT software, the transient process of air entrainment into a prototype bottom outlet during gate opening is simulated in three dimensions. The simulations show in the flow-pattern changes in the conduit and the amount of air entrainment in the gate shaft. The initial conduit water level affects the degree of air entrainment. A de-aeration chamber is effective in reducing water surface fluctuations at blowout. High-speed particle image velocimetry (HSPIV) were applied to investigate the characteristics of the flow field around a stationary air pocket in a fully developed horizontal pipe flow. The air pocket generates a horseshoe vortex upstream and a reverse flow downstream. A shear layer forms from the separation point. Flow reattachment is observed for large air pockets. The air―water interface moves with the adjacent flow. A similarity profile is obtained for the mean streamwise velocity in the shear layer beneath the air pocket. / <p>QC 20140211</p>

Im Rahmen der Dissertation wurde ein neues und effektives Verfahren entwickelt, um die Oberflächenwirbelbildung an Ansaugstutzen von Pumpen in großen, komplexen Becken (wie z. B. Gebäudesumpf oder Flutbehälter) zu untersuchen so-wie deren charakteristischen Größe, die kritische Überdeckung, zu bestimmen. Die kritische Überdeckung ist die minimale Überdeckung, über die eine Oberflächenwir-belbildung sich ausschließen lässt. Durch die verursachte Strömungsinhomogenität und durch mitgerissene Luft kann die Oberflächenwirbelbildung die Förderleistung der Pumpen stark einschränken und langfristig sogar Pumpenschäden hervorrufen. Deshalb die Sicherstellung eine wirbelfreie Ansaugung ist für einen sicheren Pum-penbetrieb erforderlich. In Leichtwasserreaktoren ist der sichere und langfristige Betrieb der Not- und Nach-kühlsysteme besonders wichtig, um die Einhaltung des kerntechnischen Schutzzie-les, Kühlung der Brennelemente, zu gewährleisten. Die Pumpen dieser Systeme för-dern unter Störfallbedingungen aus großen und komplexen Sicherheitsbehältern bzw. Sümpfen das Kühlwasser, wobei die Vorhersage der kritischen Überdeckung sehr schwierig ist. Für industrielle Prozesse wird die kritische Überdeckung entweder mit aufwendigen Experimenten oder mit einfachen empirischen und semiempirischen Korrelationen abgeschätzt. Auch die Deutsche Reaktor-Sicherheitskommission (RSK) empfiehlt im Falle des Sumpfbetriebs einer Anlage mit Druckwasserreaktor die Durchführung von großskaligen Experimenten, um die kritische Überdeckung zu ermitteln. Nach der Empfehlung der RSK kann beim Fehlen experimenteller Daten auf die einfache, anhand von Experimenten und analytischen Modellen abgeleitete ANSI-Korrelation zurückgegriffen werden. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte CVA-Verfahren (Combined Vortex Analy-ses) basiert auf der Kombination von numerischen CFD-Simulationen mit dem analytischen Wirbelmodell von Burgers-Rott und bietet damit eine alternative und effektive Methode zur Bestimmung der kritischen Überdeckung samt weiterer wesentliche Parameter eines Oberflächenwirbels wie z. B. Zirkulation, Luftkernlänge und Tangentialgeschwindigkeitsverteilung. Die CFD-Methoden sind in der Lage die Strömungsparameter außerhalb der Wirbelkernregion auch in komplexen Anlagen zu berechnen. Die CFD-Berechnung der Wirbelkernregion eines Oberflächenwirbels inkl. der Luft-kernbildung erfordert jedoch sehr hohen Rechenaufwand. Das Wirbelmodell von Burgers und Rott dagegen kann die Luftkernlänge von Oberflächenwirbeln analytisch bestimmen, wenn die Zirkulation und der sog. Saugparameter außerhalb der Wirbel-kernregion bekannt sind. Im CVA-Verfahren werden diese Parameter mit dem CFD-Code ANSYS-CFX berechnet und in analytische Gleichungen, abgeleitet aus dem Burgers-Rot-Modell, eingesetzt. Basierend auf den Ergebnissen von zwei geeigneten CFD-Simulationen kann das CVA-Verfahren die kritische Überdeckung für eine breites Parameterspektrum, wie z. B. den Ansaugmassenstrom, analytisch berechnen. Die Validierung des CVA-Verfahrens erfolgte in dieser Arbeit anhand von zwei Experimenten für vertikale Ansaugstutzen. In dem Experiment von Moriya wurden die Typen der Oberflächenwirbel bestimmt und deren lokale Parameter gemessen. Anhand der Ergebnisse werden die erforderlichen physikalischen Modelle, Rand-bedingungen und weitere Modellparameter für die CFD-Simulationen festgelegt. Des Weiteren wird das CVA-Verfahren zur Berechnung der Luftkernlänge eines Oberflächenwirbels anhand der Moriya-Versuche erfolgreich validiert. Die Bestimmung der Luftkernlänge ist ein wichtiger Schritt des CVA-Verfahrens und ermöglicht die analytische Berechnung der kritischen Überdeckung. Das zweite Experiment zur Validierung wurde von Jain et al. durchgeführt. In diesem Experiment wurde die kritische Überdeckung für ein breites Spektrum diverser Ein-flussparameter gemessen. Auf der Basis dieser experimentellen Ergebnisse wird das CVA-Verfahren erfolgreich validiert, um die kritische Überdeckung bei unterschiedlichen Ansauggeschwindigkeiten, Zirkulationen, Viskositäten und Saugleitungsdurchmessern zu ermitteln. Des Weiteren wird eine einfache analytische Korrelation, nachfolgend CVA-Formel genannt, basierend auf dem CVA-Verfahren abgeleitet. Diese beschreibt den analytischen Zusammenhang zwischen der kritischen Überdeckung, der Froude-Zahl und dem Saugleitungsdurchmesser und berücksichtigt die Zirkulation durch eine vorgegebene Konstante. Im Rahmen der Nachrechnung der Versuche von Jain et al. wird diese Konstante für drei Fälle ermittelt. Das validierte CVA-Verfahren wird zunächst eingesetzt, um in den industriellen Prozessen häufig verwendete einfache Korrelationen zur Berechnung der kritischen Überdeckung zu untersuchen und deren Konservativitäten zu quantifizieren. Aus der Literatur wurde, neben der auch in der kerntechnischen Verfahren ange-wendete Korrelation von ANSI, die Korrelation von Odgaard, Rindells und Gulliver, Jain et al. und Knauss für die Analysen ausgewählt. Die Anwendung dieser Korrelationen sind nur in einem bestimmten Parameterbereich zulässig. Die Vergleichsanalysen haben die Konservativitäten, Einschränkungen sowie das Erweiterungspotential der Anwendungsbereiche der Korrelationen erfolgreich aufgezeigt. Darüber hinaus wird die Anwendungsgrenze der ANSI-Korrelation für die Zirkulation bestimmt und belegt, dass das CVA-Verfahren auch in kerntechnische Verfahren angewendet werden kann. Zuletzt wird das CVA-Verfahren angewendet, um die Problematik der Oberflächen-wirbelbildung im Sicherheitsbehältersumpf eines Vor-Konvoi-Druckwasserreaktors zu untersuchen. In dem postulierten Störfallszenario befindet sich das Not- und Nach-kühlsystem (TH-System) der Anlage im Sumpfbetrieb. Oberhalb der Saugstutzen der TH-Pumpen befindet sich eine Betondecke, die bei Sumpffüllstand oberhalb dieser Decke eine wirbelbrechende Maßnahme ist. Deshalb wurde zuerst ein Störfallszenario mit dem CFD-Code ANSYS-CFX untersucht, wobei der Füllstand des Sumpfs oberhalb der Betondecke liegt. In den Analysen wird ein Leckstörfall mit 400 cm2 Leckage im Kaltstrang des Primärkühlkreises betrachtet, bei dem nur 2 TH-Pumpen, jeweils mit einem Ansaugmassenstrom von 300 kg/s in Betrieb sind. Die Simulationen zeigen eine starke Wirbelbildung in den in Betrieb befindlichen Sumpfkammern ohne dass sich jedoch luftziehende Wirbel ausbilden. Anschließend wird die Bildung luftziehender Wirbel für Sumpffüllstände unterhalb der Betondecke untersucht. Um die Parameter für den analytischen Teil des CVA-Verfahrens zu bestimmen, werden CFD- Simulationen mit zwei unterschiedlichen TH-Massenströmen durchgeführt. Anhand der Ergebnisse der zwei CFD-Simulationen gelingt es mit dem CVA-Verfahren die kritische Überdeckung der TH-Pumpen für den gesamten Massenstrombereich zu berechnen. Damit wird die Anwendung des CVA-Verfahrens für große, komplexe Anlage erfolgreich demonstriert. Die durchgeführten Analysen bestätigen die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten des neuen Verfahrens und zeigen, dass das CVA-Verfahren für die kerntechnische Nachweisführung eine effektive Alternative ist.:Inhaltsverzeichnis Abstract I Kurzfassung IV Vorwort VII Inhaltsverzeichnis VIII Formelzeichen XI Bildverzeichnis XIV Tabellenverzeichnis XVII 1 Einleitung 1 2 Stand des Wissens 6 2.1 Theoretische Grundlagen von Wirbeln 6 2.2 Analytische Wirbelmodelle 11 2.2.1 Modell von Rankine 12 2.2.2 Modell von Burgers und Rott 12 2.2.3 Modell von Ito et al. 14 2.3 Experimentelle Untersuchungen 15 2.3.1 Experiment von Moriya 18 2.3.2 Experiment von Jain et al. 20 2.4 Auslegungsempfehlungen und Korrelationen 23 2.4.1 Korrelation von Odgaard 25 2.4.2 Korrelation von Jain et al. 26 2.4.3 Korrelation von Knauss 27 2.4.4 Korrelation von Rindels und Gulliver 28 2.4.5 ANSI Korrelation 29 2.4.6 Vergleich der Korrelationen für eine vertikale Ansaugung 30 2.5 Parameterbereich der Untersuchungen 32 3 Neues Verfahren zur Bestimmung der kritischen Überdeckung 35 3.1 Grundsätzliche Herangehensweise an eine CFD-Simulation 35 3.1.1 Lösungsverfahren 36 3.1.2 Modellierung der Turbulenz 39 3.1.3 Zweiphasenmodellierung 42 3.2 Relevante veröffentlichte CFD Analysen und eigene Vorstudien 44 3.2.1 Erkenntnisse aus relevanten, veröffentlichten CFD-Analysen 45 3.2.2 Eigene Vorstudien zur Simulation von Oberflächenwirbeln mit ANSYS CFX 47 3.3 CVA-Verfahren 48 3.3.1 Identifizierung von Oberflächenwirbeln in CFD-Simulationen 49 3.3.2 Bestimmung der Zirkulation aus den CFD-Ergebnissen 51 3.3.3 Bestimmung der Saugparameter aus den CFD-Ergebnissen 52 3.3.4 Berechnung der kritischen Überdeckung 54 4 Validierung des CVA-Verfahrens anhand von Experimenten 59 4.1 Validierung anhand der Versuche von Moriya 60 4.1.1 CFD-Modell 60 4.1.1.1 Optimierung des Rechengitters 62 4.1.1.2 Sensitivitätsanalyse zur Turbulenzmodellierung 67 4.1.2 Ergebnisse der Validierungsrechnungen anhand des Moriya Versuches 72 4.2 Validierung und Parameteruntersuchung anhand der Versuche von Jain et al. 75 4.2.1 CFD-Modell und Anwendung des CVA-Verfahrens 75 4.2.2 Ergebnisse der Validierungsrechnungen und der Parameteruntersuchung 78 4.2.2.1 Einfluss des Anströmwinkels 79 4.2.2.2 Einfluss des Saugleitungsdurchmessers 80 4.2.2.3 Einfluss der Viskosität 83 4.2.2.4 Einfluss der Zirkulation 85 4.3 Ableitung einer analytischen Korrelation zur Abschätzung der kritischen Überdeckung 86 4.4 Fazit der Validierung und Empfehlungen zur Anwendung des CVA-Verfahrens 88 5 Anwendung des neuen CVA-Verfahrens 90 5.1 Analyse der Korrelationen zur Berechnung der kritischen Überdeckung 91 5.1.1 Analyse der Korrelation von Jain et al. 91 5.1.2 Analyse der Korrelation von Odgaard 93 5.1.3 Analyse der Korrelation von Knauss 95 5.1.4 Analyse der Korrelation von Rindels und Gulliver 96 5.1.5 Analyse der Korrelation von ANSI 98 5.1.6 Fazit der Analysen der Korrelationen zur Berechnung der kritischen Überdeckung mit dem CVA-Verfahren 102 5.2 Analyse der Sumpfansaugung bei Druckwasserreaktoren 104 5.2.1 Beschreibung der ausgewählten Störfallszenarien 106 5.2.2 Geometriemodell des Sicherheitsbehälters 108 5.2.3 Untersuchung der Sumpfansaugung bei einem 400-cm²-Leck 110 5.2.3.1 CFD-Modell 111 5.2.3.2 Ergebnisse 115 5.2.4 Bestimmung der kritischen Überdeckung der TH-Pumpen in Sumpfbetrieb mit dem CVA-Verfahren 116 5.2.4.1 CFD-Modell 117 5.2.4.2 Ergebnisse der Analysen mit dem Gesamtmodell und Bestimmung der Zirkulation 121 5.2.4.3 Ergebnisse der Simulationen mit dem Submodell und Bestimmung des Saugparameters 125 5.2.4.4 Berechnung der kritischen Überdeckung der TH-Pumpen im Sumpfbetrieb 127 6 Zusammenfassung und Ausblick 131 Literaturverzeichnis 135 Vorveröffentlichungen von Teilergebnissen 141