Experimente und CFD-Modellentwicklung zu Wandkondensationsvorgängen im Sicherheitseinschluss
Die Separate Effect Test for Condensation Modeling (SETCOM) Anlage (siehe Abb. 1) wurde konzipiert und gebaut, um CFD basierte Daten für die Entwicklung und die Validierung von Wandkondensationsmodellen zu generieren. Die Anlage ist im Wesentlichen ein geschlossener Kreislauf, der einen stationären Betrieb mit reproduzierbaren Randbedingungen ermöglicht. Um eine optimale Nutzung für CFD-Modell-D&V zu gewährleisten, wurden umfangreiche Anstrengungen unternommen, die Anlagenkomponenten so zu gestalten, dass bekannte Randbedingungen realisiert werden, die ohne (wesentliche) weitere Annahmen direkt auf das CFD-Modell übertragen werden können. So besteht die SETCOM-Teststrecke aus einem rechteckigen Strömungskanal (0,44 m x 0,44 m) mit drei adiabatischen Wänden, die zum Ausgleich der Wärmeverluste elektrisch beheizt werden (siehe Abb. 2 rechts). Die 6 m lange Kühlplatte, hergestellt aus der Aluminiumlegierung AlMg4,5Mn, ist als wassergekühlter Gegenstrom-Kreuzstrom-Wärmetauscher ausgeführt, was eine nahezu gleichmäßige Wandtemperatur (Delta T < 2 K) entlang der gesamten Kühlplatte ermöglicht. Er kann in einem konjugierten Wärmeübertragungsansatz modelliert werden, indem eine gemessene sekundäre Kühlmitteltemperatur und ein charakterisierter Wärmeübergangskoeffizient angegeben werden. Eine detaillierte 3D-Charakterisierung der Einlassbedingungen, d.h. Geschwindigkeit, Turbulenzintensität, Gastemperatur und Feuchtigkeitsfelder, ergab, dass sowohl Umlenkbleche in der Strömungsumlenkung als auch ein speziell entwickelter gitterartiger Strömungsaufbereiter zu einer nahezu konstanten Geschwindigkeit über den gesamten Einlassquerschnitt des Kondensationskanals führen. Die SETCOM-Anlage kann zwischen einer horizontalen und einer vertikalen Position geneigt werden (siehe Abb. 2 links), um eine detaillierte Untersuchung von Auftriebseffekten in Mischkonvektionsströmungen zu ermöglichen. Die Anlagenperipherie erlaubt die Vorgabe von Gastemperaturen bis zu 100°C, Wandtemperaturen um 10°C, eine Gasfeuchte bis zu 99% und Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 0,5 m/s und 5 m/s. Für den Anlagenbetrieb und die Datenerfassung wird das kommerzielle Prozessleitsystem DeltaV TM von Emerson Process Management eingesetzt. Es ermöglicht eine präzise Definition von konstanten und reproduzierbaren Randbedingungen.
Im Rahmen des CEC-Projekts 150 1404 wurde deshalb die Testanlage Separate Effect Test for Condensation Modeling (SETCOM) mit dem Ziel konzipiert, geeignete Messdaten in der Grenzschicht zu sammeln, um Wandfunktionen für kondensierende Strömungen zu entwickeln. Im Nachfolgeprojekt 150 1489 wurden die Anlage und ihre Instrumentierung systematisch verbessert und erstmals quantitative Messungen in "CFD-Qualität" durchgeführt.
Der Schwerpunkt im aktuellen SETCOM2-Projekt (GRS-Projekt Nr. 1501591) liegt auf der weiteren Verbesserung der Geschwindigkeitsmessungen in der viskosen Unterschicht und dem Ziel, einen weiteren vollständigen Satz von CFD basierten Daten für die Modellvalidierung zu sammeln. Daher wurde die Anlage um eine neue Messtechnik, den LDV-Profilsensor, mit vielversprechender hoher räumlicher Auflösung erweitert.