Extension of Condensate Flow Model for Aerosol Wash-down Simulation

Abhängig vom Unfallszenario ist es möglich, dass das nukleare Aerosol, welches in den Reaktorbehälter eintritt, Partikel unterschiedlicher Größe und Art enthält. Aerosol Partikel, welche sich auf geneigten/ vertikalen Wänden im Behälter ablagern, werden von der Kondensatströmung abgewaschen und in den unteren Bereich oder in den Sumpf des Reaktorbehälters transportiert. Der Transport von Aerosol Partikeln im Reaktorbehälter beeinflusst die Verteilung der Strahlungsintensität und der Zerfallswärme. Daher ist das Verständnis des Aerosol-Abwaschverhaltens wichtig für die Bewertung des Quellterms.
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Der Abwasch-Prozess unlöslicher Aerosole hängt von der Kondensatströmung und der Aerosol Charakteristik ab. Das bereits bestehende AULA Modell im COCSYS Code ist ein angemessener Modellierungsansatz für den Abwasch-Prozess unlöslicher Aerosole. Allerdings hat die Kondensatströmung einen signifikanten Einfluss auf die Effizienz des Abwasch-Prozesses. Es ist notwendig, jeweils ein Modell zur Beschreibung der Kondensatströmung und für die Benetzung der schrägen Wände zu entwickeln, welche anschließend in COCOSYS implementiert werden können. Weiterhin sollte das aktuelle Aerosol Abwasch-Modell AULA die Neigung der Wand sowie Kohäsionseffekte für die Bewertung des Aerosol Erosionsprozesses berücksichtigen.
In dieser Dissertation wird ein neuer Modellansatz zur Beschreibung der Kondensatströmung vorgestellt, in welchem verschieden Formen der Kondensatströmung berücksichtig werden. Zur Bestimmung der Tropfengeschwindigkeit werden das innere Strömungsfeld im Tropfen, der dynamische Kontaktwinkel, sowie der Marangoni Effekt berücksichtigt. Um den Übergang der Strömungsmuster von Tropfenströmungen zu Rinnsalströmungen zu beschreiben wurde ein neues Kriterium eingeführt. Sowohl das abgeleitete physikalische Modell, als auch die vorgestellte empirische Korrelation, berechnen die Benetzung bezüglich Volumenstrom pro Wandbreite, Kontaktwinkel, Wandneigung und der Fluideigenschaften. Außerdem wird ein Korrekturfaktor für die Wandneigung und die Kohäsion der Partikel aus einer Analyse der Kräfte der Aerosole in einer Kondensatströmung hergeleitet, wodurch das sogenannte kritische Schubspannungsmodell in AULA verbessert wird.
Um Testdaten für die Modellvalidierung zu generieren, wird ein neues Experiment mit Wassertropfen auf einer geneigten lackierten Wand durchgeführt. Das Modell für den Beginn der Tropfenbewegung wird mit Hilfe des neuen Experiments bewertet und validiert. Das Modell für die Tropfengeschwindigkeit sowie das Kriterium für den Übergang von Tropfenströmung zu Rinnsalströmung werden ebenfalls anhand dieses Experiments validiert. Das Modell für die Benetzung wird ausführlich anhand von frei zugänglicher Literatur validiert. Außerdem wird das erweiterte Aerosol Abwasch-Modell unter Berücksichtigung der Wandneigung und der Kohäsionseffekte anhand des THAI-AW3-LAB Experiments validiert. Das Aerosol Abwasch Modell AULA wird gekoppelt mit dem neuen Modell für die Benetzung im COCOSYS Code implementiert. Der Modifizierte COCOSYS Code wird mit dem THAI-AW3 Experiment verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung der numerisch berechneten und der experimentell gemessenen Abwascheffizienz erreicht wird.
Der modifizierte COCOSYS Code wird im sogenannten „Generic Containment“ angewandt. Die Diskreditierung (basierend auf dem SARNET2 Benchmark) wird verfeinert und modifiziert, um Konsistenz mit dem Aerosol Abwasch Modell zu erreichen. Für das ausgewählte schwere Unfallszenario wird die Entwicklung der Thermo-hydraulischen Parameter im „Generic Containment“ präsentiert. Dabei zeigt sich, dass das zeitliche Verhalten der Abwascheffizienz stark von der Kondensatströmung abhängt. Die Ergebnisse der Simulation untermauern die Notwendigkeit den COCOYSY Code zu modifizieren.

Depending on the accident scenario, nuclear aerosol entering into reactor containment may consist of particles with various sizes and species. Aerosol particles deposited on inclined walls in the containment are washed down by condensate flow into lower compartments or water sumps. The transport of aerosol particles in the containment influences the distribution of dose rate and decay heat. Therefore, understanding of aerosol wash-down behavior is important for source term assessment.
A new modelling approach of condensate flow is developed and presented in this dissertation, which considers different condensate flow patterns. ... mehrDroplet internal flow field, dynamic contact angle and the Marangoni effect are considered to evaluate the droplet velocity. A new criterion is proposed to describe the flow pattern transition from droplet to rivulet. The derived physical model as well as the proposed empirical correlation predict the condensate coverage in terms of the volume flow rate per width, contact angles, wall inclination and fluid properties. Moreover, a correction factor considering the wall inclination and aerosol cohesion is derived by the force analysis of aerosols in condensate flow, so that the critical shear stress model in AULA is improved.
A new experiment of water droplets moving on inclined paint-coated surfaces is performed to provide test data for model validation. The model of the onset of droplet motion is well assessed and validated by the new experiment. The model of the droplet velocity as well as the proposed criterion of the flow pattern transition from droplet to rivulet are also well validated. The model of condensate coverage is extensively validated by experimental data from open literature. Moreover, the extended aerosol wash-down model with the consideration of inclination and cohesion effects is validated by the THAI-AW3-LAB experiment. The aerosol wash-down model AULA coupled with the new condensate coverage model is implemented in the COCOSYS code. A good agreement between the numerical results using the modified COCOSYS code and the measured data from the integral experiment THAI-AW3 is achieved with respect to the aerosol wash-down efficiency.
The application of the modified COCOSYS code to the ‘Generic Containment’ is carried out. The nodalisation (based on the benchmark from the SARNET2 activity) is refined and modified in order to be consistent with the aerosol wash-down model. The evolution of thermal-hydraulic parameter in the ‘Generic Containment’ during the selected severe accident scenario is presented. It is found that the temporal behavior of the aerosol wash-down efficiency is strongly affected by the condensate flow. The simulation results confirm the necessity of the modification of COCOSYS.