Die Aufgabenstellung und die Einzelziele des Verbundes sind
- Genauere Berechnung von Zweiphasenströmungen durch Validierung existierender Zweiphasenmodelle und durch die Entwicklung neuer Zweiphasenmodelle
- Definition und Koordination von Experimenten, die zur Modellentwicklung benötigt werden
- Einbau und die Bereitstellung der neu entwickelten Modelle sowie entsprechender numerischer Verfahren in ein Modul des Rechenverfahrens ANSYS CFD
- Reduzierung des Anwendereinflusses bei CFD-Simulationen durch Erstellung und Anwendung von Best Practice Guidelines und Checklisten
- Einbinden des CFD-Moduls in den Systemcode ATHLET
Da die Strömungen in Kernreaktoren physikalisch und geometrisch sehr komplex sind, muss stufenweise vorgegangen werden. Das heißt, es werden zuerst physikalische Modelle für einzelne Teilphänomene entwickelt und validiert. Dann werden Kombinationen der Teilphänomene und reale kerntechnische Anwendungen betrachtet.
Im Konzeptpapier ist eine Abstufung der Testfälle mit ansteigender physikalischer Komplexität wie folgt definiert:
- Zweiphasenströmungen mit niedrigem Volumenanteil der zweiten Phase
- Zweiphasenströmungen mit freien Oberflächen bzw. geschichtete Zweiphasenströmungen
- Zweiphasenströmungen mit hohem Volumenanteil der zweiten Phase
- Zweiphasenströmungen mit Phasenübergang, d.h. mit Kondensation bzw. Verdampfung
Für jedes dieser Arbeitspakete wird unter Beteiligung aller Partner ein Pflichtenheft erstellt, in dem alle wichtigen Phänomene beschrieben werden und durch das sichergestellt wird, dass alle wichtigen physikalischen Effekte im Experiment und in der numerischen Simulation erfasst werden. Auf Grund des Pflichtenheftes wird eine Versuchsmatrix erstellt, die in aufsteigender Komplexität Basis-, Validierungs- und Industrietestfälle enthält.
Die Basisimplementierung der entsprechenden Zweiphasenmodelle in ANSYS CFD (oder anderen Codes) wird getestet, indem Rechnungen mit der existierenden Software ausgeführt werden. Diese Ergebnisse legen den Status Quo fest und geben einen ersten Einblick, welche Modellentwicklungen und Experimente notwendig sind. Zusätzlich wird ein Konzept zur Qualitätssicherung erarbeitet, das eine wissenschaftliche Validierung der Software sicherstellt.
Zu dieser gehören Fehler- und Sensitivitätsanalysen der experimentellen Daten und der numerischen Ergebnisse.
WORK PROGRAMME AND GOALS
- Improved accuracy for the simulation of two-phase flows by validating existing models and by developing new two-phase flow models
- Definition and coordination of experiments, necessary for the model development
- Implementation and provision of new models and corresponding numerical methods within a special module of the CFD software ANSYS CFD
- Reduction of user influence on the accuracy of CFD simulations by development and application of Best Practice Guidelines and checklists
- Integration of CFD-module into the system code ATHLET
- Because of the complexity of the flow physics and the geometries in nuclear reactors, a step-by-step approach was chosen. Initially, physical models for single-effect phenomena are developed and validated. Then combinations of flow phenomena and realistic reactor applications are considered
- The project concept defines test cases with increasing physical complexity as follows:
- Two-phase flows with low void fraction of the second phase
- Two-phase flows with high void fraction of the second phase
- Two-phase flows with free surfaces or stratification
- Two-phase flows with phase change, for instance condensation or evaporation.
In a first step, the project partners have provided requirement specifications for these flows, describing the important physical phenomena, which need to be captured in the experiments and in the numerical simulations. These Global Software Requirement Specifications (GSRS) are the basis for the definition of a test case matrix with increasing complexity ranging from simple validation to complex industrial cases. The test cases are first simulated with existing two-phase flow models in ANSYS CFD (and other codes). The results of these calculations define the starting point for model and software improvements. They provide also information about additional experiments to obtain missing data. In addition, the CFD network develops a concept for quality assessment, ensuring a scientific validation of the software. This includes error and sensitivity analysis of experimental data and numerical results.
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Garching, May 2003