Simulation und Modellierung von Ablaufvorgängen auf geneigten Oberflächen

Bei einem Störfall in einem Leichtwasserreaktor können unlösliche, radioaktive Partikel in das den Reaktorkern umgebende Containmentgebäude freigesetzt werden und sich auf den Oberflächen ablagern. Ebenfalls freigesetzter Wasserdampf kondensiert an den Wänden und das Kondensat kann die Aerosolpartikel in den Containmentsumpf abwaschen. Da die genaue Kenntnis der Abläufe während eines Störfalls von großer Wichtigkeit für die Auslegung und Sicherheitsanalyse eines Kernkraftwerks ist, werden in der vorliegenden Arbeit CFD-Simulationen für das Ablaufverhalten von Wasser auf geneigten Flächen und für den resultierenden Partikelabwasch als numerische Experimente durchgeführt.

Um die großskaligen Rechnungen durchführen zu können wird ein neues, empirisches Kontaktwinkelmodell, das die Benetzungshistorie der Oberfläche beachtet, eingeführt. Der Kontaktwinkel bzw. das Kontaktwinkelmodell erweist sich als einer der größten Einflussfaktoren für das sich bildende Ablaufmuster und wird deshalb eingehend untersucht. Ebenso wird eine neu entwickelte Technik vorgestellt, auf den zu benetzenden Oberflächen zufällige Kontaktwinkelinhomogenitäten nach vorgegebenen Amplituden- und Längenskalenwerten zu erzeugen. Damit lassen sich die Inhomogenitäten auf realen Oberflächen, die durch Verschmutzungen, Fertigungstechniken der Oberflächen oder Schäden an den Oberflächen entstehen, modellieren. Zusätzlich ermöglicht es die Durchführung mehrerer Simulationsdurchläufe für die selbe Konfiguration.

Das Ablaufverhalten wird auf die Einflüsse des Kontaktwinkels, der Kontaktwinkelinhomogenitäten, des Neigungswinkels und des Massenflusses am Einlass hin untersucht. Dabei wurden Simulationen auf zwei unterschiedlichen Größenskalen durchgeführt: eine etwas kleinere Geometrie im Zentimeterbereich, die auch in anderen Studien Untersuchungsobjekt ist und für die experimentelle und numerische Vergleichsdaten vorliegen. Außerdem an einer großskaligen Laborgeometrie, die in den Experimenten des THAI-Testprogramms von Becker Technologies zum Partikelabwasch genutzt wurde.

Um den Abwasch unlöslicher Partikel durch das gravitationsgetriebene Wasserfeld zu simulieren, wird ein Modell basierend auf dem Shields Kriterium implementiert und der entstehende Abwasch auf den Einfluss der Partikelparameter, wie Partikeldurchmesser, Partikeldichte und Erosionskonstante, hin untersucht. Die Ergebnisse werden mit den Daten aus den Experimenten und zusätzlichen AULA-Berechnungen verglichen.