Direct Numerical Simulations of Conjugate Heat Transfer under Supercritical Pressure Conditions

Das „Generation IV International Forum (GIF)“ hat einen Technologieplan für die Entwicklung von Reaktorkonzepten der vierten Generation vorgeschlagen, der aus fünf zentralen Designaspekten besteht. Eines dieser Konzepte ist der überkritische wassergekühlte Reaktor (SCWR), welcher eine hohe thermische Effizienz sowie ein einfaches Anlagenlayout bietet. Die Verwendung von überkritischem Wasser stellt jedoch Herausforderungen für die Bewertung der Sicherheit und Leistung der vorgeschlagenen Konzepte dar. Der Grund hierfür liegt in den drastischen Änderungen der thermophysikalischen Eigenschaften im pseudokritischen Bereich. ... mehrDiese Änderungen beeinflussen die Turbulenz und den turbulenten Wärmeübergang in der Wandnähe von Brennelementen. Eine genaue Vorhersage der turbulenten Statistik stellt nach wie vor eine Herausforderung in Bezug auf den aktuellen Stand der Forschung dar.

Diese Arbeit liefert Referenzdaten aus direkten numerischen Simulationen (DNS) unter Berücksichtigung der konjugierten Wärmeübertragung (CHT) für horizontal orientierte, überkritische, turbulente, ringförmige Strömungen, um nukleare Brennstäbe herum. Die Erwärmung der Wand erfolgt über Wärmeleitung im Festkörper, wodurch sich Temperaturfluktuationen innerhalb der Wandstruktur ausbilden, anstatt durch idealisierte Randbedingungen begrenzt zu werden. Die gewonnenen Referenzdaten werden zur Charakterisierung des hochanisotropen, beheizten turbulenten Strömungsfeldes verwendet und mit sekundären Strömungsereignissen verknüpft, um deren Einfluss auf die Turbulenz und Wärmeübertragung zu bewerten. Darüber hinaus wird der Transport der turbulenten kinetischen Energie und des turbulenten Wärmeflusses untersucht, um die dominanten Transportmechanismen im Zusammenhang mit diesen Strömungsereignissen zu identifizieren.

Die DNS-Daten wurden anschließend für eine A-priori-Bewertung von zwei ausgewählten RANS-Schließungen und zwei Turbulenzwärmefluss-Schließungen genutzt, um deren Fähigkeit zur Erfassung anisotroper Turbulenz zu beurteilen. Die getesteten Schließungen wurden hinsichtlich ihrer Fähigkeit bewertet, das beobachtete Verhalten der anisotropen Turbulenz und des turbulenten Wärmetransfers zu reproduzieren. Die A-priori-Bewertung fasst die Schwächen der getesteten Schließungen zusammen. Ein Ansatz mit konstanter turbulenter Prandtl-Zahl war für die Vorhersage des turbulenten Wärmeflusses im vorliegenden Strömungsfeld nicht geeignet, was weitere Untersuchungen zu horizontalen, turbulenten, überkritischen Strömungen erfordert. Zusätzlich war der Temperaturgradient nicht ausreichend, um das Verhalten des turbulenten Wärmeflusses abzubilden, sodass die getesteten Schließungen eine geringe Vorhersageleistung zeigten. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden mögliche Richtungen zur Modellverbesserung identifiziert, um die Modellsensitivität hinsichtlich turbulenter Anisotropie und Wärmelast zu erhöhen.

The “Generation IV International Forum (GIF)” has proposed a technology roadmap for the development of Generation IV nuclear reactor concepts, which consists of five key design aspects. The supercritical water-cooled reactor (SCWR) is one of these concepts and offers high thermal efficiency and a simple plant layout. However, the use of supercritical water brings challenges for the assessment of the safety and performance of the suggested design concepts due to drastic changes of thermophysical properties in the pseudo-critical region. These changes alter the turbulence and turbulent heat transfer in the near wall region of the fuel assemblies. ... mehrAccurate prediction of the turbulent statistics still remains a challenge in the current state of the art.

This thesis provides reference direct numerical simulation (DNS) data for horizontally oriented, supercritical, turbulent, annular flow around nuclear fuel pin with conjugate heat transfer (CHT). Heating is provided through conduction inside the solid wall so that temperature fluctuations develop within the wall response, rather than constrained by idealized boundary conditions. Obtained reference data were used for characterizing the highly anisotropic heated turbulent flow field and link these data to secondary flow events to assess their impact on turbulence and heat transfer. Furthermore, the transport of turbulent kinetic energy and turbulent heat flux were investigated to assess dominant transport mechanisms associated with these flow events.

The DNS data were then used to perform a priori assessment of two selected RANS closures and two turbulent heat flux closures to assess their prediction capabilities to capture the anisotropic turbulence. Tested closures were evaluated for their ability to reproduce the observed anisotropic turbulence and turbulent heat transfer behavior. Weaknesses of the tested closures were summarized upon a priori assessment. Constant turbulent Prandtl number approach was not suitable for the prediction of turbulent heat flux within provided flow field that requires further study on horizontal, turbulent, supercritical flows. Additionally, temperature gradient was not sufficient to reflect turbulent heat flux behavior that tested closures presented poor prediction performance. Possible model improvement directions were identified upon the obtained a priori assessment results to improve model awareness in terms of turbulent anisotropy and heat load.