Numerische Simulation der Verdampfung und Kondensation von Flüssigkeitsfilmen für Wasserreaktoren

Eine detaillierte Analyse der Verdampfung und Kondensation von Flüssigkeitsfilmen ist zunehmend wichtig geworden, insbesondere bei der Konstruktion von Wasserreaktoren. Beispielsweise ist die Vorhersage der Verdampfung von Flüssigkeitsfilmen entscheidend für das Design von Passiven Behälterkühlungssystemen (PCCS), die wichtige passive Sicherheitsvorrichtungen in modernen Druckwasserreaktoren (PWR) sind. Um die maximalen Entwurfswerte für Druck und Temperatur unter Kontrolle zu halten, wird häufig ein Wasser-/Luft-Gegenzufluss innerhalb des externen Kanals der PCCS eingesetzt. Es ist daher unerlässlich, die Verdampfungsmasseflussrate und den Wärmeübergang des Wasserfilms für die Gesamtleistung des PCCS zu analysieren. Andererseits könnte Wasserstoff während eines Vorfalls aufgrund der Oxidation der Mantelleitung bei erhöhten Temperaturen in den Reaktorbehälter freigesetzt werden. Angesichts der hohen Entflammbarkeit des gasförmigen Wasserstoffs ist es von größter Bedeutung, seine lokale Verteilung im Behältergebäude zu kennen, während die Wandkondensation berücksichtigt wird, was die Konzentration an nicht-kondensierbaren Gasen an den Wänden erhöhen wird. Ein weiteres Beispiel ist die Bewertung der Belastungen des Behälters in den Leichtwasserreaktoranlagen (LWR) und die Vorhersage ihres Kondensationsverhaltens in Anwesenheit von nicht-kondensierbaren Gasen. Mit den Vorteilen der Computational Fluid Dynamics (CFD) und aktuellen Modellentwicklungen ist die numerische Analyse der Verdampfung und Kondensation von Flüssigkeitsfilmen praktischer geworden als teure Experimente für reale Anwendungen. In diesem Papier wurde das numerische Modell des Eulerian Wall Film (EWF), das in Ansys Fluent® implementiert wurde, basierend auf zwei kanonischen Fällen validiert. Der erste bezieht sich auf die von Hu et al. 1 durchgeführten Experimente, bei denen der Wärmeübergang während der Verdampfung des Wasserfilms auf einer vertikalen Platte untersucht wurde. Der durchschnittliche Wärmefluss und das Verdampfungverhältnis des Wasserfilms stimmen gut mit den verfügbaren experimentellen Daten überein. Der zweite Fall bezieht sich auf die von Ambrosini et al. 2 durchgeführten Experimente, auch bekannt als der "CONAN"-Fall, bei dem die Wandfilmkondensation in Anwesenheit von nicht-kondensierbaren Stoffen unter verschiedenen Dampfmassenfraktionen und Geschwindigkeitsbedingungen untersucht wurde. Der Oberflächenwärmestrom und die Kondensatmasseflussrate stimmen ebenfalls gut mit den experimentellen Messungen überein. Der aktuelle numerische Arbeitsablauf unter Verwendung von EWF könnte auf komplexere Geräte für die Simulation von Verdampfung und Kondensation von Flüssigkeitsfilmen angewendet werden.