The need of the experimental support for validation of the computational tools to be applied to analyze the mixing of diluted slugs has been recognized in various countries. The test series for the International Standard Problem ISP-43 provides a platform for experiences to be applied to the simulation of a well-defined test series. Test A and B of the UM2x4 loop test facility were calculated with the CFD Code CFX-4.3. Sensitivity studies were made to analyze the used turbulence model and numerical errors. The results show good agreement with the experimental data for both tests.

The need of the experimental support for validation of the computational tools to be applied to analyze the mixing of diluted slugs has been recognized in various countries. The test series for the International Standard Problem ISP-43 provides a platform for experiences to be applied to the simulation of a well-defined test series. Test A and B of the UM2x4 loop test facility were calculated with the CFD Code CFX-4.3. Sensitivity studies were made to analyze the used turbulence model and numerical errors. The results show good agreement with the experimental data for both tests.

In 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.

In 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.

Es wurde ein Modell zur realistischen Beschreibung der Kühlmittelvermischung innerhalb des Reaktordruckbehälters von Druckwasserreaktoren in den gekoppelten Programmkomplex DYN3D/ATHLET implementiert. Diese Modell basiert auf dem Prinzip der linearen Superposition Dirac-Impuls-ähnlicher Störungen und kann für die Modellierung der Vermischung von Kühlmittel unterschiedlicher Temperatur und/oder unterschiedlicher Borsäurekonzentration eingesetzt werden. Der um das Vermischungsmodell erweiterte Programmkomplex DYN3D/ATHLET wurde für Analyse von Borverdünnungsstörfällen und Frischdampflecks angewandt. Für den Fall "Start der ersten Hauptkühlmittelpumpe bei Vorhandensein eines minderborierten Pfropfens im kalten Strang" zeigten die Ergebnisse der durchgeführten Parameterstudie, dass es selbst bei Annahme des maximal möglichen Pfropfenvolumens nicht zu einer Schädigung des Brennstoffes kommt. Mit den Analysen zu einem generischen Frischdampfleckszenario wurde die Anwendbarkeit des Programmkomplexes DYN3D/ATHLET auf die zweite Störfallklasse, in der die Kühlmittelvermischung eine wichtige Rollen spielt, demonstriert. Im Rahmen der Arbeiten zum Projekt wurde außerdem gezeigt, dass der Einfluss der turbulenten Schwankungen des Geschwindigkeitsfeldes innerhalb des Reaktordruckbehälters auf neutronenkinetische Parameter im Nominalbetrieb und unter Störfallbedingungen nicht zu vernachlässigen ist. A model for the realistic description of the coolant mixing inside the pressure vessel of pressurized water reactors was implemented into the coupled code complex DYN3D/ATHLET. This model is based on the linear superposition Dirac-pulse-like perturbations. The model can be applied to the mixing of coolant of different temperature and/or boron concentration. The coupled code complex DYN3D/ATHLET with the newly implemented model was applied to the analysis of boron dilution and steam line break accidents. The results of a parameter study for the case "Start-up of the first main coolant pump with a slug of lower borated water in the cold leg" have shown, that even under the conditions of the maximum slug volume there is no fuel damage. The applicability to the second class of accidents, where the coolant mixing has to be considered, was demonstrated by the analysis of a generic main steam line break scenario. Further it was shown, that the influence of turbulent fluctuations of the velocity inside the reactor pressure vessel during nominal and accident conditions on neutron-kinetic parameters cannot be neglected.

Es wurde ein Modell zur realistischen Beschreibung der Kühlmittelvermischung innerhalb des Reaktordruckbehälters von Druckwasserreaktoren in den gekoppelten Programmkomplex DYN3D/ATHLET implementiert. Diese Modell basiert auf dem Prinzip der linearen Superposition Dirac-Impuls-ähnlicher Störungen und kann für die Modellierung der Vermischung von Kühlmittel unterschiedlicher Temperatur und/oder unterschiedlicher Borsäurekonzentration eingesetzt werden. Der um das Vermischungsmodell erweiterte Programmkomplex DYN3D/ATHLET wurde für Analyse von Borverdünnungsstörfällen und Frischdampflecks angewandt. Für den Fall "Start der ersten Hauptkühlmittelpumpe bei Vorhandensein eines minderborierten Pfropfens im kalten Strang" zeigten die Ergebnisse der durchgeführten Parameterstudie, dass es selbst bei Annahme des maximal möglichen Pfropfenvolumens nicht zu einer Schädigung des Brennstoffes kommt. Mit den Analysen zu einem generischen Frischdampfleckszenario wurde die Anwendbarkeit des Programmkomplexes DYN3D/ATHLET auf die zweite Störfallklasse, in der die Kühlmittelvermischung eine wichtige Rollen spielt, demonstriert. Im Rahmen der Arbeiten zum Projekt wurde außerdem gezeigt, dass der Einfluss der turbulenten Schwankungen des Geschwindigkeitsfeldes innerhalb des Reaktordruckbehälters auf neutronenkinetische Parameter im Nominalbetrieb und unter Störfallbedingungen nicht zu vernachlässigen ist. A model for the realistic description of the coolant mixing inside the pressure vessel of pressurized water reactors was implemented into the coupled code complex DYN3D/ATHLET. This model is based on the linear superposition Dirac-pulse-like perturbations. The model can be applied to the mixing of coolant of different temperature and/or boron concentration. The coupled code complex DYN3D/ATHLET with the newly implemented model was applied to the analysis of boron dilution and steam line break accidents. The results of a parameter study for the case "Start-up of the first main coolant pump with a slug of lower borated water in the cold leg" have shown, that even under the conditions of the maximum slug volume there is no fuel damage. The applicability to the second class of accidents, where the coolant mixing has to be considered, was demonstrated by the analysis of a generic main steam line break scenario. Further it was shown, that the influence of turbulent fluctuations of the velocity inside the reactor pressure vessel during nominal and accident conditions on neutron-kinetic parameters cannot be neglected.