Abstract The hydrogen behavior in a nuclear containment vessel is one of the significant issues raised when discussing the potential of hydrogen combustion during a severe accident. Computational Fluid Dynamics (CFD) is a powerful tool for better understanding the turbulence transport behavior of a gas mixture, including hydrogen. Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) is a practical-use approach for simulating the averaged gaseous behavior in a large and complicated geometry, such as a nuclear containment vessel; however, some improvements are required. In this paper, we focused on the turbulent Schmidt number Sct for improving the RANS accuracy. Some previous studies on ocean engineering mentioned that the Sc t value gradually increases with the increasing stratification strength. We implemented the dynamic modeling for Sct based on the previous studies into the OpenFOAM ver 2.3.1 package. The experimental data obtained by using a small scale test apparatus at Japan Atomic Energy Agency (JAEA) was used to validate the RANS methodology. In the experiment, we measured the velocity field around the interaction region between vertical jet and stratification by using the Particle Image Velocimetry (PIV) system and time transient of gas concentration by using the Quadrupole Mass Spectrometer (QMS) system. Moreover, Large-Eddy Simulation (LES) was performed to phenomenologically discuss the interaction behavior. The comparison study indicated that the turbulence production ratio by shear stress and buoyancy force predicted by the RANS with the dynamic modeling for Sct was a better agreement with the LES result, and the gradual decay of the turbulence fluctuation in the stratification was predicted accurately. The time transient of the helium molar fraction in the case with the dynamic modeling was very closed to the VIMES experimental data. The improvement on the RANS accuracy was produced by the accurate prediction of the turbulent mixing region, which was explained with the turbulent helium mass flux in the interaction region. Moreover, the parametric study on the jet velocity indicates the good performance of the RANS with the dynamic modeling for Sct on the slower erosive process. This study concludes that the dynamic modeling for Sct is a useful and practical approach to improve the prediction accuracy.

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垂直射流引起的密度分层破裂：湍流施密特数动态变化影响的实验和数值研究

摘要 核安全壳中的氢气行为是讨论严重事故中氢气燃烧潜力时提出的重要问题之一。计算流体动力学 (CFD) 是一种强大的工具，可用于更好地了解气体混合物（包括氢气）的湍流传输行为。Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 是一种实用方法，用于模拟大型复杂几何体（例如核安全壳）中的平均气体行为；但是，需要一些改进。在本文中，我们专注于湍流施密特数 Sct 以提高 RANS 精度。以前的一些海洋工程研究提到，随着分层强度的增加，Sc t 值逐渐增加。我们在 OpenFOAM ver 2.3.1 包中基于之前的研究实现了 Sct 的动态建模。使用日本原子能机构 (JAEA) 的小型测试设备获得的实验数据用于验证 RANS 方法。在实验中，我们使用粒子图像测速（PIV）系统测量了垂直射流与分层相互作用区域周围的速度场，使用四极杆质谱仪（QMS）系统测量了气体浓度的时间瞬变。此外，还进行了大涡模拟 (LES) 以从现象学上讨论相互作用行为。对比研究表明，RANS 与 Sct 动力学模型预测的剪切应力和浮力产生的湍流比与 LES 的结果更加吻合，准确预测了分层中湍流波动的逐渐衰减。在动态建模的情况下，氦摩尔分数的时间瞬变与 VIMES 实验数据非常接近。RANS精度的提高是通过对湍流混合区域的准确预测产生的，这可以用相互作用区域中的湍流氦质量通量来解释。此外，射流速度的参数研究表明 RANS 具有良好的性能，在较慢的侵蚀过程中对 Sct 进行动态建模。本研究得出的结论是，Sct 的动态建模是提高预测精度的一种有用且实用的方法。在动态建模的情况下，氦摩尔分数的时间瞬变与 VIMES 实验数据非常接近。RANS精度的提高是通过对湍流混合区域的准确预测产生的，这可以用相互作用区域中的湍流氦质量通量来解释。此外，射流速度的参数研究表明 RANS 具有良好的性能，在较慢的侵蚀过程中对 Sct 进行动态建模。本研究得出的结论是，Sct 的动态建模是提高预测精度的一种有用且实用的方法。在动态建模的情况下，氦摩尔分数的时间瞬变与 VIMES 实验数据非常接近。RANS精度的提高是通过对湍流混合区域的准确预测产生的，这可以用相互作用区域中的湍流氦质量通量来解释。此外，射流速度的参数研究表明 RANS 具有良好的性能，在较慢的侵蚀过程中对 Sct 进行动态建模。本研究得出的结论是，Sct 的动态建模是提高预测精度的一种有用且实用的方法。这可以用相互作用区域中的湍流氦质量通量来解释。此外，射流速度的参数研究表明 RANS 具有良好的性能，在较慢的侵蚀过程中对 Sct 进行动态建模。本研究得出的结论是，Sct 的动态建模是提高预测精度的一种有用且实用的方法。这可以用相互作用区域中的湍流氦质量通量来解释。此外，射流速度的参数研究表明 RANS 具有良好的性能，在较慢的侵蚀过程中对 Sct 进行动态建模。本研究得出的结论是，Sct 的动态建模是提高预测精度的一种有用且实用的方法。