Numerische Untersuchung der Auflösung einer Heliumstratifikation in einem Modellcontainment

Diese Arbeit beschreibt eine numerische Studie zur Auflösung von Leichtgasstratifikationen in einer reaktorrelevanten Konfiguration. Hierzu wurde die Erosionsgeschwindigkeit mit der eine Leichtgasstratifikation durch eine impulsgetriebene Strömung als Funktion der vorherrschenden globalen Richardson-Zahl Ri0 untersucht. Es wurden zwei Turbulenzmodelle betrachtet: das neuartige SAS-SST und ein k-e- Turbulenzmodell. Als Referenz wurden LES-Rechnungen für zwei charakteristische globale Richardson-Zahlen durchgeführt. Die Strömungsstruktur wurde anschließend einem eingehenden Vergleich unterzogen und anhand dessen der Vorteil des skalenauflösenden SAS-Modells gezeigt. Weiterhin wurde die Auflösungsgeschwindigkeit als Funktion der Dimensionsanalyse des Problems untersucht und letztlich eine Formel hergeleitet, welche die Erosionsgeschwindigkeit durch globale Randwerte in einem weiten Gültigkeitsbereich beschreibt. Darüber hinaus wurde die dimensionslose Entrainmentrate E untersucht und mit vorhandenen Literaturdaten verglichen. Die von (Kumagai, 1984) vorgeschlagene Korrelation kann hierbei prinzipiell bestätigt werden. Diese Korrelation wurde an die numerisch gewonnenen Daten angepasst und anschließend so umgeformt, dass auch die lokale Entrainmentrate E als Funktion globaler Parameter des Problems beschrieben werden kann. Die vorliegende Arbeit zeigt deutlich, dass es möglich ist die Auflösung einer Leichtgasstratifikation physikalisch korrekt mit dem neuartigen skalenauflösenden SASSST-URANS-Modell für die Turbulenz wiederzugeben. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass es gelungen ist einen analytischen Zusammenhang zwischen globalen und lokalen Größen zu ermitteln. Dies ist z.B. für zukünftige Entwicklungen im Bereich der Lumped Parameter Codes relevant. Diese Arbeit stellt daher einen signifikanten Beitrag zur Sicherheitsforschung bestehender und zukünftiger Kernreaktoren dar und trägt darüber hinaus zum Verständnis der physikalischen Mechanismen bei.