Development of two-dimensional lattice Boltzmann code DG2LBM for computational fluid dynamic Problems in nuclear reactor safety component design

摘要

A 2-dimensional computational fluid dynamic analysis program DG2LBM by using Lattice Boltzmann Equation (LBE) with momentum exchange boundary conditions is developed and it is applied to a feasibility study of nuclear reactor safety component such as a reactor building floor weir (KBFW), a simple as well as an effective option to sediment particulate materials generated after loss of coolant accident of a nuclear power plant and. The program is benchmarked against a standard problem of a flow past a cylinder at relatively low Reynolds numbers, the RBFW is simulated for diverse parametric conditions such as height, inclination angle, number of weirs (1 or 2) and the distance between two weirs. The weir performance is measured by the area of quiescent and/or downward reverse flow region where particles have more chance to sediment. It is found a wake causing reverse downward flow behind the weir mainly contributes to generating the quiescent flow region. And the most effective option in terms of particle sedimentation performance is found to be relatively tall double weirs separated by 2 weir heights.%Ein 2-dimensionales Rechenprogramm zur Strömungsdynamikanalyse, DG2LBM, wird unter Verwendung der Boltzmann-Git-tergleichung (LBE) bei Impulsaustausch-grenzbedingungen entwickelt und in einer Machbarkeitsstudie einer Sicherheitskomponente eines Kernreaktors, wie zum Beispiel eines Überlaufs im Reaktorgebäudeboden, eingesetzt, also einer ebenso wirksamen wie einfachen Möglichkeit, nach einem Kühlmittelverluststörfall in einem Kernreaktor entstandenes Partikelmaterial abzusetzen. Das Programm wird mit einem Standardproblem einer Strömung an einem Zylinder bei relativ niedrigen Reynoldszahlen verglichen. Dabei wird der Überlauffür verschiedene Parameterzustände simuliert, wie etwa Höhe, Neigungswinkel, Anzahl der Überläufe (1 oder 2) und Abstand zwischen den Überläufen. Die Leistung eines Überlaufs wird anhand der Fläche einer ruhigen bzw. einer abwärtsgerichteten Rückflussströmung gemessen, in der sich Partikel absetzen können. Dabei zeigt sich, dass ein Nachlauf, der hinter dem Überlauf zu einem abwärts gerichteten Rückfluss führt, zur Schaffung der beruhigten Strömungszone am stärksten beiträgt. Als wirksamstes Mittel zur Partikelsedimen-tierung erweist sich eine Ausführung mit verhältnismäßig hohen Doppelüberläufen, die durch 2 Überlaufhöhen getrennt sind.