Numerical Simulation of Horizontal Two-Phase Flow Experiments Using an Morphology Detection Model

Eine geschichtete Zweiphasenströmung liegt z. B. im Heißstrang eines Kernreaktors bei einem Kühlmittelverluststörfall vor. Ein Problem der Simulation von Zweiphasenströmungen mit CFD-Codes besteht darin, dass lokal unterschiedliche Morphologien der Phasengrenzen auftreten können. Die disperse und die kontinuierliche Form der Gas- und Fluidphase werden in der Modellierung jeweils als separate Phasen behandelt. Die disperse Phase liegt in Form von Wassertröpfchen oder Gasblasen vor. An der Phasengrenze zwischen kontinuierlichen Phasen (d.h. in der Simulation wird die Phasengrenze aufgelöst) müssen andere Schließungsmodelle, z. B. für den Impulsaustausch, angewendet werden als an einer Grenze zwischen kontinuierlicher und disperser Phase. Bisher war das nicht möglich, da die Information über die jeweils vorliegende Strömungsmorpholgie im CFD-Code nicht vorlag. Deshalb wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Codeentwickler ANSYS ein Modell zur besseren Beschreibung der wirkenden physikalischen Gesetze bei Zweiphasenströmungen in Abhängigkeit der Strömungsmorphologie (AIAD= Algebraic Interfacial Area Density Modell) entwickelt, erprobt und in den CFD-Code CFX implementiert. Validierungsrechnungen für das AIAD-Modell wurden für Experimente am Heißstrangmodell an TOPFLOW bzw. dem TOPFLOW_PTS Versuchsstand sowie für Schwallströmungen und dem stationären hydraulischen Sprung im horizontalen Strömungskanal HAWAC durchgeführt und zeigten durchweg gute Ergebnisse. Für die Zukunft ist eine verbesserte Beschreibung der Turbulenz an der Phasengrenzfläche geplant.