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Matthias Beyer
Experimental Thermal Fluid Dynamics
m.beyerAthzdr.de
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Dr. Dirk Lucas
Head Computational Fluid Dynamics
d.lucasAthzdr.de
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Experimentelle Untersuchung von geschichteten Zweiphasenströmungen

Motivation

Fliesst ein Mehrphasengemisch in horizontalen oder leicht geneigten Leitungen, entstehen vor allem geschichtete Strömungsformen, so zum Beispiel in chemischen Industrieanlagen, in Ölförderanlagen oder in Kraftwerken. Diese Mehrphasenströmungen lassen sich schwer kontrollieren und können die Funktionstüchtigkeit bzw. die Effektivität der Systeme in der sie fließen stark beeinflussen. So kann zum Beispiel eine Pfropfenströmung die mechanische Integrität von Rohrleitungen oder Armaturen durch starke Druckschwankungen gefährden.

Um diese komplexen Strömungsvorgänge zu Simulieren, werden derzeit die sogenannten CFD-Codes (computational fluid dynamics) für Zweiphasen-Anwendungen weiterentwickelt. Dazu werden in den CFD-Programmen neue Modelle implementiert, die anhand von Experimenten getestet werden müssen. Das Ziel unserer experimentellen Untersuchung von geschichteten Zweiphasenströmungen ist insbesondere die Bereitstellung von hoch aufgelösten Messdaten, die für die Validierung der CFD-Codes benötigt wird.

Der Strömungskanal HAWAC (Horizontal Air/Water Channel)

Der Strömungskanal HAWAC Bild 1: Schema des Strömungskanals HAWAC (Horizontal Air/Water Channel)

Der Strömungskanal HAWAC (Horizontal Air/Water Channel, siehe Bild 1) ist für gleichgerichtete Strömungsexperimente ausgelegt. Die 8 m lange Teststrecke weist einen rechteckigen Querschnitt von 100 x 30 mm (Höhe x Breite) auf, was einem Länge/Höhe-Verhältnis von L/h = 80 entspricht. Eine spezielle Einspeisevorrichtung (Bild 2) wurde konstruiert, um definierte Randbedingungen am Kanaleintritt zu erzeugen. Luft und Wasser werden deshalb getrennt in die Teststrecke eingespeist: Die Luft fließt durch den oberen und das Wasser durch den unteren Teil der Einspeisevorrichtung. Um möglichst gleichmäßige Geschwindigkeitsprofile am Teststreckeneintritt zu erreichen, wurden jeweils 4 Filter aus Drahtgeflecht in der Einspeisevorrichtung eingebaut. Luft und Wasser werden an einer 500 mm langen Platte zusammengeführt, die beide Phasen nach dem Filtersegment trennt. Diese Trennplatte kann nach oben und nach unten geneigt werden, was eine Kontrolle des freien Strömungsquerschnitts für jede Phase ermöglicht. Somit wird der Wasserfüllstand am Teststreckeneintritt eingestellt. Sowohl die Filter als auch die neigbare Trennplatte erzeugen definierte Eintrittsrandbedingungen für die generische Untersuchung von geschichteten Zweiphasenströmungen und eignen sich entsprechend hervorragend für die Code Validierung.

HAWAC Einspeisevorrichtung
Bild 2: die HAWAC Einspeisevorrichtung

Messtechnik

Der Strömungskanal wurde für die Anwendung optischer Messverfahren konstruiert, welche die hohe Auflösung liefern, die für die CFD-Validierung notwendig ist. So bietet der HAWAC-Kanal mit seiner Acrylglas-Teststrecke und dem rechteckigem Querschnitt ausgezeichnete Beobachtungsmöglichkeiten.

Videobeobachtung

Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen wurden von der Seite des Kanals aufgezeichnet. Die Entwicklung eines speziellen Algorithmus ermöglicht die Erfassung der Phasengrenzfläche in den Einzelbildern. So werden quantitative Größen aus den Bildern gezogen (wie z. B. den Wasserstand in jedem Querschnitt). Durch weitere statische Verarbeitung der Daten können die Struktur der Grenzfläche gezeigt werden und Vergleiche zwischen Experiment und CFD-Rechnungen gezogen werden.

Weitere Möglichkeiten

Am Strömungskanal sind PIV (particle image velocimetry) Messungen geplant, um die Geschwindigkeit der flüssigen Phase zu ermitteln (Bild 3). Weiterhin sollten Druckaufnehmer für die Untersuchung von Schwallströmung installiert werden.

Geschwindigkeitsfeld in einem Schwall gemessen mit PIV
Bild 3: Beispiel des Geschwindigkeitsfeldes in einem Schwall (Sekundärströmung)

Ergebnisse

Strömungskarte des Strömungskanals HAWAC

In der Teststrecke können maximale Leerrohr-Geschwindigkeiten von 2 m/s für das Wasser und 8 m/s für die Luft eingestellt werden. Aus visuellen Beobachtungen der Strömungsformen bei verschiedenen Kombinationen aus Luft- und Wasser-Durchsätzen wurde eine Strömungskarte erstellt (Bild 4). Beobachtetet wurden folgende Strömungsregime: die glatt geschichtete Strömung, die Wellenströmung sowie die elongierte Blasen- und Schwallströmung.
HAWAC Strömungskarte
Bild 4: Strömungskarte des HAWAC-Kanals

Schwallströmungs-Experimente

Die Entstehung eines Schwalls vom Eintritt der Testsektion wurde mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen gezeigt (Bild 5). Unmittelbar nach dem Eintritt wurde eine stratifizierte Strömung mit kleinen Wellen beobachtet, welche durch die hohen Luftgeschwindigkeiten erzeugt werden. Eine dieser Wellen wächst rasch an und entwickelt sich zu einem Schwall, der entlang des Kanals propagiert. An der Schwallfront ist ein beträchtlicher Tropfenmitriss zu verzeichnen, der durch den Luftstrom am Spalt oberhalb des Schwalls hervorgerufen wird.

Bildsequenz einer Schwallentstehung
Bild 5: Bildsequenz einer Schwallentstehung

Der hydraulische Sprung in einem geschlossenen Kanal

Bei hohen Wasserdurchsätzen insbesondere, wenn die Eintrittsplatte abwärtsgerichtet ist, kann ein hydraulischer Sprung in der Testsektion erzeugt werden. Der hydraulische Sprung ist der diskontinuierliche Übergang zwischen über- und unterkritischer Strömung und wird durch einen steilen Anstieg der Wasseroberfläche charakterisiert. Aus Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen und dem Grenzflächen-Erkennungsalgorithmus wurde die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Füllstandes in jedem vertikalen Querschnitt ausgerechnet und in einem Bild der Testsektion dargestellt (Bild 6). Dieses zeigt gleichzeitig die Struktur und die Dynamik der Phasengrenzfläche.

Wahrscheinlichkeitsverteilung in einem hydraulischen Sprung
Bild 6: Darstellung der Wahrscheinlichkeitsverteilung der in einem hydraulischen Sprung gemessenen Füllstände

Weitere Experimente beleuchten den Einfluss des Luftdurchsatzes auf dem hydraulischen Sprung in einem geschlossenen Kanal. Diese Daten wurden an einem stationären Phänomen gewonnen, welches eine hohe Turbulenz bei Variation des Impulsaustausches zwischen den Phasen aufweist. Diese Eigenschaften machen den hydraulischen Sprung in einem geschlossenen Kanal zu einem empfindlichen Code-Validierungstest.

Code benchmark

Der HAWAC Kanal ist:

Im Rahmen dieser "code benchmark" Programme werden die an dem Strömungskanal gewonnenen experimentellen Ergebnisse an Partner zur Verfügung gestellt.

Ausgewählte Publikationen

Siehe auch

Danksagung

Diese Arbeit wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie unter der Projektnummer 150 1329 gefördert



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