Zugl.: Bremen, Univ., Diss., 2008

Thermische Energiespeicher tragen u. a. zur Erhöhung der Versorgungsicherheit in der Fernwärmeversorgung und zur Effizienzsteigerung des Fernwärmesystems (z. B. Flexibilisierung der Erzeuger, Speicherung überschüssiger Wärme, besserer hydraulischer Betrieb) bei. Dafür eignen sich Druckbehälter, sog. schlanke Heißwasserspeicher (Speichertyp b1). Die oben genannten Vorteile setzen einen effizienten Speicherbetrieb (niedrige interne und externe Speicherverluste) voraus. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit der Minimierung der internen Verluste durch die Verbesserung des thermischen Schichtungsverhaltens. Eine thermische Schichtung mit einem möglichst schmalen Übergangsbereich zwischen heißer und kalter Zone ist ein Indikator für geringe Mischvorgänge während der Beladung. Die Minimierung dieser Mischungsvorgänge bei der Beladung nimmt eine Schlüsselrolle bei der Minimierung der internen Speicherverluste ein. Lohse und Brähmer untersuchten die Beladung mit herkömmlichen radialen Diffusor in schlanken Heißwasserspeicher mit numerischer Strömungssimulation. Die Arbeiten identifizieren aufgrund der schlanken Speicherform nachteilige Strömungseffekte wie z. B. einen ausgeprägten Wandstrahl. Dieser Wandstrahl regt Mischvorgänge an und damit steigen die internen Speicherverluste. Zur Überwindung dieser Strömungsproblematik schlägt die Beladung mit Drall vor. Die Untersuchungen von Oestreich zeigten das Strömungsverhalten im Diffusor und im Speicher, die Auswirkungen auf die thermische Schichtung sowie die Vorteilhaftigkeit. Dieser Beitrag soll eine detailliertere Beschreibung der Strömungsvorgänge liefern. Dieses Wissen ist unbedingt notwendig, um die Ursachen und Wirkungen bei der Beladung mit Drall und beim Aufbau der thermischen Schichtung besser zu verstehen. Die Modellierung und Simulation des Diffusors bzw. des Speichers erfolgen mit ANSYS CFX. Zur Auflösung turbulenter Strukturen findet die Large Eddy Simulation Anwendung. Dieser Artikel präsentiert erstmalig die Wirbelstrukturen im Diffusor mit Leitelementen zur Drallerzeugung. Die Speicherströmung weist ein ähnliches Verhalten zu bekannten Dichteströmungen (z. B. Lappen-Kluft-Struktur, Instabilitäten in den freien Scherschichten) auf, was bisher nicht bekannt war. Hohe Peclet-Zahlen (hohe Advektionsströme) im Speichermodell führen zu numerischer Instabilität der Simulation und erfordern deshalb erhöhten Diskretisierungsaufwand. / Thermal energy storage systems contribute, among other things, to increasing the security of supply in the district heating system and to improving the efficiency of the district heating system (e.g., making the generators more flexible, storing waste heat, better hydraulic operation). Pressure vessels, so-called slim hot water storage tanks (storage type b1) are suitable for this purpose. The above mentioned advantages require efficient storage operation (low internal and external storage losses). This paper deals with the minimization of internal losses by improving the thermal stratification behavior. Thermal stratification with a thermocline between hot and cold zone as narrow as possible is an indicator of low mixing processes during loading. Minimizing these mixing processes during loading takes a key role in minimizing internal storage losses. Lohse and Brähmer investigated loading with conventional radial diffuser in slim hot water storage tanks with numerical flow simulation. The work identifies adverse flow effects due to the slim tank shape, such as a wall jet. This wall jet stimulates mixing processes and thus increases the internal storage losses. To overcome this flow problem, Findeisen et al. proposes swirl loading. The investigations of Oestreich et al. showed the flow behavior in the diffuser and in the storage, the effects on the thermal stratification as well as the advantageousness. This paper aims to provide a more detailed description of the flow processes. This knowledge is essential to better understanding the causes and effects of swirl loading and the structure of thermal stratification. Modeling and simulation of the diffuser and storage, respectively, are performed using Ansys CFX. Large eddy simulation (LES) is applied to resolve turbulent structures. This paper presents for the first time the vortex structures in the diffuser with internal elements for swirl generation. The storage flow exhibits similar behavior to known density flows (e.g., head and nose formation, instabilities in the free shear layers), which was previously unknown. High Peclet numbers (high advection currents) in the storage model lead to numerical instability of the simulation and therefore require increased discretization efforts.

Single-phase CFD calculations are already widely applied in nuclear industry for the thermal-hydraulic design optimization of fuel assemblies (FA). In contrast, two-phase CFD-applications are still in the state of development. The work presented in this thesis shows contributions towards the detailed two-phase modeling of boiling flows under swirl conditions in sub-channel geometries of pressurized water reactors (PWR) FAs, including a realistic description of the critical heat flux (CHF)-phenomena and identification of two-phase indicators characterizing CHF-phenomena. The numerical simulations were conducted with a 3-D CFD code (STAR CD) for various types of swirl generating components in FA. New insights regarding local void distribution in sub-channels under swirl conditions were obtained, which are relevant for CHF (“bubble pockets”). Furthermore, an enhanced wall partitioning model provides a more realistic description of the steep increase of the rod temperature due to CHF. Presented validation studies showed good agreement with the available experiments under PWR conditions for the radial void distributions at non-CHF conditions as well as for the CHF prediction. The results performed in this thesis show the incentives and chances of two-phase CFD applications for the development of thermal-hydraulically optimized PWR spacer grids with regard to heat transfer and improvement to the CHF behaviour. / Einphasige CFD Analysen stellen für typische thermohydraulische Fragestellungen aus dem Kernkraftwerksbereich bereits jetzt ein wichtiges Werkzeug für die Brennelement (BE)¬Auslegung dar. Die zweiphasige CFD-Modellierung befindet sich dagegen in der Entwicklungsphase. Die in dieser Dissertation präsentierten Arbeiten zeigen Fortschritte für die detaillierte zweiphasige Modellierung drallbehafteter Strömungen im Unterkanal eines BEs des Druckwasserreaktors (DWR) einschließlich der realistischen Beschreibung des kritischen Wärmestroms (CHF) sowie die Bestimmung zweiphasiger Indikatoren, welche das Auftreten von CHF-Phänomen beschreiben. Verschiedene drallerzeugende Komponenten im BE wurden mit dem 3-D CFD-Code STAR-CD modelliert. Es wurden neue Erkenntnisse zur lokalen Blasenverteilung in Unterkanälen unter Drallbedingungen gewonnen, die für CHF relevant sind (“bubble pockets”). Durch eine Modifikation des Wärmeübergangsmodells (heat partitioning model) wird der starke Anstieg der Stabtemperatur infolge CHF realistischer beschrieben. Die durchgeführten Validierungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren Experimenten unter DWR-Bedingungen für die radialen Blasenverteilungen und für die Bestimmung von CHF. Die vorliegenden Ergebnisse dieser Dissertation verdeutlichen den Nutzen und die Möglichkeiten von zweiphasigen CFD-Anwendungen für die Entwicklung und die thermohydraulische Optimierung von DWR-Abstandshaltern bezüglich des Wärmeübergangs und der Verbesserung des CHF-Verhaltens. / Модели однофазовой среды в вычислительной гидродинамике (англ. CFD) являются уже сейчас важным инструментом для решения типичных термогидравлических задач в ядерной энергетике, например, при конструировании тепловыделяющих сборок (ТВС). Двухфазовое моделирование, в сравнении с однофазовым, находится на сегодняшний момент в стадии развития. Данная диссертация связана с совершенствованием двухфазовой модели в направлении улучшения детализации вихревого течения внутри ячейки ТВС в условиях работы двухконтурного ядерного реактора (тип PWR). Также в работе показана возможность более реалистичного описания феномена кризиса теплоотдачи и определения двухфазовых индикаторов, характеризующих критический тепловой поток (англ. CHF). Комплекс расчетов выполнен для различных интенсификаторов теплоотдачи, размещенных на дистанционирующих решетках TBC. Расчеты производились с помощью программного обеспечения STAR-CD, позволяющего моделировать трехмерные гидродинамические системы. Полученные новые данные о локальном распределении пузырьков в ячейках с вихревым течением дали важную информацию для идентификации критического теплового потока. Усовершенствование модели теплоотдачи на поверхности тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) позволило более реалистично описать резкое повышение температуры на поверхности ТВЭЛа при достижении критических условий. Полученные результаты численного моделирования для радиальных распределений пузырьков при нормальных условиях работы PWR и также для определения критического теплового потока показали хорошее совпадение с известными экспериментальными данными. Представленные в диссертации результаты показывают возможности применения двухфазовых CFD-расчётов для разработки и термогидравлической оптимизации дистанционирующих решеток с целью улучшения теплообмена и характеристик критического теплового потока в двухконтурном ядерном реакторе типа PWR.

Solarthermie trägt wesentlich zur Verbrauchsreduzierung fossiler Energieträger bei. Die für eine thermische Zwischenspeicherung verwendeten Warmwasserspeicher werden häufig mittels schwerkraftbasierten Schichtenladern beladen. Bisher sind die komplexen Strömungsvorgänge im Beladesystem und deren Auswirkungen auf die Speichereffizienz begrenzt bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt daher eine detaillierte Auseinandersetzung mit den hydrodynamischen Effekten in einem Schichtenlader. Dreidimensionale CFD-Untersuchungen zeigen, dass im Belader Strömungsschwankungen auftreten, welche mit dem Ausströmverhalten korrelieren und den Schichtungsaufbau negativ beeinflussen. Variationen der Betriebsparameter und Beladergeometrie verdeutlichen deren Einflussnahme auf die Strömungseffekte im Beladesystem. Experimentelle PIV/PLIF-Untersuchungen bestätigen die mit der CFD gewonnenen Erkenntnisse wie z. B. Strömungsasymmetrien im Beladerrohr und ein teilweise periodisches Ausströmen. Zusätzlich identifizieren die experimentellen Messungen starke Instationaritäten der Strömung. / Solar thermal energy makes a significant contribution to reducing the consumption of fossil fuels. Hot water storage tanks are often equipped with gravity-based stratification devices. Up to now, the complex flow in the loading system and the effects on storage efficiency are only been rudimentarily known. In this Phd thesis, therefore, detailed examination of the hydrodynamic effects in a stratification device is conducted. 3D-CFD investigations show that a fluctuating flow exists in the device which correlate with the outflow behaviour and has a negative influence on the thermal stratification in the storages. Variations of the operating parameters and device geometry illustrates their influence on flow effects in the loading system. Experimental PIV/PLIF investigations confirm the results obtained from the CFD, such as flow asymmetries in the stratification device and a temporally periodic outflow. In addition, the experimental measurements identify strong instationarities of the flow.

Single-phase CFD calculations are already widely applied in nuclear industry for the thermal-hydraulic design optimization of fuel assemblies (FA). In contrast, two-phase CFD-applications are still in the state of development. The work presented in this thesis shows contributions towards the detailed two-phase modeling of boiling flows under swirl conditions in sub-channel geometries of pressurized water reactors (PWR) FAs, including a realistic description of the critical heat flux (CHF)-phenomena and identification of two-phase indicators characterizing CHF-phenomena. The numerical simulations were conducted with a 3-D CFD code (STAR CD) for various types of swirl generating components in FA. New insights regarding local void distribution in sub-channels under swirl conditions were obtained, which are relevant for CHF (“bubble pockets”). Furthermore, an enhanced wall partitioning model provides a more realistic description of the steep increase of the rod temperature due to CHF. Presented validation studies showed good agreement with the available experiments under PWR conditions for the radial void distributions at non-CHF conditions as well as for the CHF prediction. The results performed in this thesis show the incentives and chances of two-phase CFD applications for the development of thermal-hydraulically optimized PWR spacer grids with regard to heat transfer and improvement to the CHF behaviour. / Einphasige CFD Analysen stellen für typische thermohydraulische Fragestellungen aus dem Kernkraftwerksbereich bereits jetzt ein wichtiges Werkzeug für die Brennelement (BE)¬Auslegung dar. Die zweiphasige CFD-Modellierung befindet sich dagegen in der Entwicklungsphase. Die in dieser Dissertation präsentierten Arbeiten zeigen Fortschritte für die detaillierte zweiphasige Modellierung drallbehafteter Strömungen im Unterkanal eines BEs des Druckwasserreaktors (DWR) einschließlich der realistischen Beschreibung des kritischen Wärmestroms (CHF) sowie die Bestimmung zweiphasiger Indikatoren, welche das Auftreten von CHF-Phänomen beschreiben. Verschiedene drallerzeugende Komponenten im BE wurden mit dem 3-D CFD-Code STAR-CD modelliert. Es wurden neue Erkenntnisse zur lokalen Blasenverteilung in Unterkanälen unter Drallbedingungen gewonnen, die für CHF relevant sind (“bubble pockets”). Durch eine Modifikation des Wärmeübergangsmodells (heat partitioning model) wird der starke Anstieg der Stabtemperatur infolge CHF realistischer beschrieben. Die durchgeführten Validierungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren Experimenten unter DWR-Bedingungen für die radialen Blasenverteilungen und für die Bestimmung von CHF. Die vorliegenden Ergebnisse dieser Dissertation verdeutlichen den Nutzen und die Möglichkeiten von zweiphasigen CFD-Anwendungen für die Entwicklung und die thermohydraulische Optimierung von DWR-Abstandshaltern bezüglich des Wärmeübergangs und der Verbesserung des CHF-Verhaltens. / Модели однофазовой среды в вычислительной гидродинамике (англ. CFD) являются уже сейчас важным инструментом для решения типичных термогидравлических задач в ядерной энергетике, например, при конструировании тепловыделяющих сборок (ТВС). Двухфазовое моделирование, в сравнении с однофазовым, находится на сегодняшний момент в стадии развития. Данная диссертация связана с совершенствованием двухфазовой модели в направлении улучшения детализации вихревого течения внутри ячейки ТВС в условиях работы двухконтурного ядерного реактора (тип PWR). Также в работе показана возможность более реалистичного описания феномена кризиса теплоотдачи и определения двухфазовых индикаторов, характеризующих критический тепловой поток (англ. CHF). Комплекс расчетов выполнен для различных интенсификаторов теплоотдачи, размещенных на дистанционирующих решетках TBC. Расчеты производились с помощью программного обеспечения STAR-CD, позволяющего моделировать трехмерные гидродинамические системы. Полученные новые данные о локальном распределении пузырьков в ячейках с вихревым течением дали важную информацию для идентификации критического теплового потока. Усовершенствование модели теплоотдачи на поверхности тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) позволило более реалистично описать резкое повышение температуры на поверхности ТВЭЛа при достижении критических условий. Полученные результаты численного моделирования для радиальных распределений пузырьков при нормальных условиях работы PWR и также для определения критического теплового потока показали хорошее совпадение с известными экспериментальными данными. Представленные в диссертации результаты показывают возможности применения двухфазовых CFD-расчётов для разработки и термогидравлической оптимизации дистанционирующих решеток с целью улучшения теплообмена и характеристик критического теплового потока в двухконтурном ядерном реакторе типа PWR.