Exploring the Influence of Bulk Condensation and Fog Transport on Containment Atmosphere using CFD

In einem schweren Unfall in Kernkraftwerken werden die thermofluiddynamischen Prozesse innerhalb des Sicherheitsbehälters durch mehrere wechselwirkende Mechanismen wie Turbulenz, Mehrkom-ponenten-Gasgemische, Auftrieb, Wandkondensation, konjugierter Wärmeübertragung und Str-ahlungswärmetransport bestimmt. Vorangegangene CFD-Studien führten zur Entwicklung und von Modellen, die diese Phänomene und ihre Wechselwirkungen simulieren können. Die Auswirkungen der Volumenkondensation und des Nebeltransports und -wiederverdampfung, Kondensatfilme, und Kondensatansammlung sind jedoch weniger erforscht, und es fehlt eine Bewertung der erforderlichen Modellierungsdetails. ... mehrVolumenkondensation führt zur Bildung von Nebeltröpfchen, wobei die latente Wärme die lokale Gastemperatur erhöht. Die Tröpfchen werden zu Orten transportiert, an denen sie wieder verdampfen können, was zu einer lokalen Abkühlung führt. Die erzeugten Temperaturgradienten sind groß genug, um die Auftriebskräfte und somit die Strömungs und die Gasvermischung zu beeinflussen. Ziel dieser Arbeit es, die Auswirkungen der Volumenkondensation, des Nebeltransport und -wiederverdampfung, sowie den Transport und die Ansammlung von Kondensat zu untersuchen und ein numerisch effizientes und belastbares Modell zu identifizieren.

In dieser Arbeit wird ein ein- und zwei-phasige CFD-Modell entwickelt und in das auf OpenFOAM basierende Paket \textit{containmentFOAM} implementiert, um zuvorgenannte Phänomene zu abzubilden. Die Volumenkondensationsrate wird mit dem Ansatz „Rückkehr zum Sättigungzustand innerhalb einer konstanter Zeitskala“ modelliert und die Tröpfchendriftgeschwindigkeit nach Manninen und Stokes beschrieben. Die Tröpfchenentwicklung durch Kondensation, Verdunstung und Koaleszenz sowie ihr größenabhängiger Transport werden mittels eines Populationsbilanzmodells auf Basis der Methode der Klassen simuliert. Das zwei-phasige Modell integriert den Mischungs-, Film- und VOF-Ansatz in einen vereinheitlichten Löser, der dynamisch die geeignete Methode anhand der lokalen Bedingungen auswählt. Die einzelnen Teilmodelle werden systematisch anhand theoretischer Daten, sowie auf Basis kleinskaliger Einzeleffektversuche und der anwendungesorientierten Integralversuche THAI TH2 und HM2 verifiziert und validiert. Es zeigt sich dass der Einfluss der Volumenkondensation in TH2 moderat war, aber eine konsistentere Abbildung der Phenomenologie ermöglichte, während in HM2 die Volumenkondensation einen signifikanten Einfluss auf Temperaturgradienten hatte und so die Gasmischung und -zusammensetzung entscheidend beeinflusste. Das Absetzen von Nebeltröpfchen und ihre Wiederv- erdunstung wird entscheidend von der Tröpfchengröße beeinflusst. Der Populationsbilanzansatz modelliert dieses Phänomen in TH2 und HM2 effektiv. Der zwei-phasige Ansatz erforderte einen erheblich höheren Rechenaufwand ohne, im Vergleich zum einphasigen Ansatz, eine nennenswerte Verbesserung der Ergebnisse zu liefern, die diesen rechtfertigen können. Dennoch konnte er die relevanten Phänom- ene wie Kondensatfilmbildung, -transport und -ansammlungen im Sumpfbereich simulieren. Er eignet sich somit eher für kleinere Sicherheitsbehälter mit Wasseransammlungen, als für hier betrachtete große trockene Sicherheitsbehälter. Abschließend wurde die Skalierbarkeit des ein-phasigen Berechnungsmodells anhand des VANAM M3-Experiments des ISP-37 im großskaligen Batelle Model Containment erfolgreich nachgewiesen.

During a severe accident in nuclear power plants, the thermo-fluid dynamic processes inside the containment are governed by the interplay of several interacting physics like turbulence, multi-component gas transport, buoyancy, wall condensation, conjugate and radiation heat transfer. Previous CFD works facilitated the formulation of models capable of simulating these phenomena and their interactions. However, the impact of bulk condensation, fog transport and re-evaporation, and condensate film formation and accumulation is less explored, and the assessment of the required modeling detail is lacking. ... mehrBulk condensation leads to the formation of fog droplets, releasing latent heat and elevating local temperatures. These fog droplets are then transported by convection, inertia, and gravity to locations where they re-evaporate, causing localized cooling. These phenomena create temperature gradients large enough to influence the buoyancy forces, gas flow velocities, gas composition, and mixing. Also, the formation and transport of condensate film and its accumulation can influence the conditions inside a containment. The purpose of this thesis is to explore the influence of bulk condensation, fog transport, and evolution as well as the formation, transport, and accumulation of condensate and conclude on an efficient and reliable approach.

In this work, a single-phase and two-phase CFD methodology are developed and implemented into OpenFOAM-based \textit{containmentFOAM} package to model the aforementioned phenomena. The modeling of bulk condensation employs the "return to saturation at constant time scale" approach, and the droplet drift velocity is modeled using the Manninen and Stokes formulations. The droplet evolution by condensation, evaporation, and coalescence and the differential transport of droplets based on their diameters are simulated using a population balance model utilizing the method of classes. The two-phase approach integrates the mixture, film, and VOF methods into a unified multi-method solver, dynamically selecting the appropriate method based on local fluid conditions. The individual sub-models and solver approaches are systematically verified and validated using theoretical data, as well as through separate-effect small-scale and integral-effect technical-scale experiments. The integral-effect validation studies conducted on THAI TH2 and HM2 experiments revealed moderate but physically more consistent representation in TH2, while in HM2, the bulk condensation had a significant impact, with temperature gradients critically affecting gas mixing and composition. The settling of fog droplets and their re-evaporation is crucially influenced by droplet size, and the PBM approach effectively modeled this phenomenon in TH2 and HM2. The two-phase approach exhibited a substantially higher computational effort requirement than the single-phase approach, without yielding notable improvements in results to justify this increased computational cost. Nevertheless, the two-phase approach was able to simulate the intended phenomena like condensate film formation, transport, and accumulations in the containment sump region. The two-phase approach is concluded to be more suitable for smaller containments, such as SMRs with water accumulation, than for larger containment structures. Finally, the scalability of the single-phase model was successfully demonstrated by simulating the International Standard Problem (ISP-37) VANAM M3 experiment on a large-scale Batelle Model Containment (BMC) test facility.