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Matthias Beyer
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Dr. Dirk Lucas
Head Computational Fluid Dynamics
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Untersuchung von rotationssymmetrischen Zweiphasenströmungen in vertikalen Rohren

Vertikale Teststrecke

Motivation und Grundlagen

Im Rahmen dieser Experimentserie wurden Gas/Flüssigkeitsströmungen untersucht, um geometrieunabhängige Schließbeziehungen für Zweiphasenmodelle in CFD Codes zu entwickeln, besonders Modelle zur Beschreibung der Blasenkräfte, von Blasenkoaleszenz und -fragmentierung. Dazu wurden zwei vertikale Teststrecken aus Edelstahl mit Nenndurchmessern von 50 bzw. 200 mm mit Gittersensoren ausgerüstet, die Messdaten für Gasgehaltsverteilungen über den gesamten Rohrquerschnitt mit einer räumlichen Auflösung von 3 mm und Frequenzen zwischen 2,5 und 10 kHz liefern. Die Messungen in diesen beiden Rohren wurden in einem breiten Bereich von Leerrohrgeschwindigkeiten für die flüssige- bzw. Gasphase sowohl für Luft/Wasser als auch für Dampf/Wasser Strömungen durchgeführt (DN50: 0,1 – 4 m/s Wasser, 0,01 – 7 m/s Gas; DN200: 0,1 – 1,6 m/s Wasser, 0,002 – 5 m/s Gas). Ausführliche Informationen zu diesen Messserien finden sie für Luft/Wasser sowie für Dampf/Wasser Strömungen unter den angegebenen Links.

Bild 1 zeigt die beiden parallelen Teststrecken mit den Positionen für die Wasser- und Gaseinspeisung sowie für die Gittersensoren (Abstand zwischen Einspeise- und Messebene ca. 7600 mm). Der obere Bereich der Teststrecken ist mit einer Dampftrommel verbunden, die zur Separation beider Phasen dient. Aus diesem Behälter fördert die Teststreckenpumpe Wasser durch die vertikalen Rohre. Gas wurde im unteren Bereich der Teststrecken durch verschiedenartige Module eingespeist, um den Einfluss auf die Strömungsformen zu untersuchen. Weitere Informationen können der TOPFLOW Anlagenseite entnommen werden.

Bild 1: Vertikale Teststrecken an der TOPFLOW Anlage: DN50: Innendurchmesser 52,3 mm, DN200: Innendurchmesser 194,1 mm

Ergebnisse

Qualitative Analyse der Strömungsformen

Blasenströmung DN200 Blasenströmung DN50

Bild 2: Virtuelle Seitenansicht einer Zweiphasenströmung (Gas: rot/gelb, Wasser: blau dargestellt) in einem DN200 (links) und DN50 (rechts) Rohr,
JW = 1 m/s, JL – Parameter; Skalierung vertikal – horizontal: 1:1

Mit einer steigenden Gasleerrohrgeschwindigkeit nimmt die Intensität der Blasen-Koaleszenz in beiden Rohren zu. Im linken Teil von Bild 2 entstehen Großblasen in der Strömung, deren Ausmaß mit steigendem Gas-/Volumenstrom zunimmt. Diese Großblasen sind von einer Blasenströmung umgeben, die zunehmend eine unregelmäßige Struktur annimmt. Auch die Blasenintensität wird sehr inhomogen. Bei hohen Gas-/Volumenströmen stellt sich ein aufgewühltes Strömungsregime ein, d. h. reguläre Strukturen verschwinden fast vollständig.

Dagegen kann man in der DN50 Rohrleitung eine völlig andere Strömungsstruktur beobachten (Bild 2 rechte Seite). Hier zeigt sich bei steigendem Gas-/Volumenstrom ein Übergang von der Blasen- zur Pfropfenströmung mit der Bildung von typischen Taylor-Blasen.

Die Abhängigkeit der Gasgehalts-, der Geschwindigkeits- und der Blasengrößenverteilungen von der Rohrdurchmesserskalierung

Zusätzlich zur qualitativen Analyse der Strömungsformen wurden die Messdaten auch dazu verwendet, quantitative Unterschiede in den Zweiphasenströmungen in vertikalen Rohren mit unterschiedlichen Durchmessern herauszufinden:

  • Dabei zeigen die radial gemittelten Gasgehaltsprofile in den Teststrecken mit kleinen und großen Innendurchmessern signifikante Unterschiede, die bei kleinen Gas-/Volumenströmen ausgeprägter auftreten. In den großen Teststrecken ist der Gasgehalt gleichmäßiger über den Rohrquerschnitt verteilt.
  • Zur Berechnung der Geschwindigkeitsprofile wurden die Messungen in den vertikalen Teststrecken mit zwei übereinander eingebauten Gittersensoren durchgeführt und die Daten kreuzkorreliert. Im Vergleich zu den Gasgehaltsprofilen sind die Geschwindigkeitsverteilungen im untersuchten Bereich der Leerrohrgeschwindigkeiten weniger vom Rohrdurchmesser und auch von der relativen Einlauflänge der Strömung abhängig. Bei höheren Gas-Leerrohrgeschwindigkeiten zeigt sich eine eindeutige Tendenz zu höheren Gasgeschwindigkeiten in größeren Rohrdurchmessern.
  • Ab einer Gas-Leerrohrgeschwindigkeit von 0,2 m/s wurden bimodale Blasengrößenverteilungen in beiden Rohrleitungen gefunden. Eine weitere Erhöhung der Gas-/Volumenstromdichte führt zu einer Verschiebung des Großblasenmaximums in Richtung höherer Durchmesser, es wird breiter und die Amplitude wächst. Die Erhöhung der Turbulenz in der Strömung bei Steigerung der Gas-Leerrohrgeschwindigkeit führt nicht zu einer Dominanz der Blasenfragmentation. Der Mittelwert des Großblasenmaximums ist bei gleichen Leerrohrgeschwindigkeiten bei kleinen Rohrdurchmessern wesentlich geringer als in der großen Teststrecke. Außerdem konnte festgestellt werden, dass sich in vertikalen Rohren mit kleinen Durchmessern der Großblasenpeak wesentlich enger und dabei erheblich höher herausbildet. Dieser Fakt bestätigt die Existenz von Taylor-Blasen in der DN50 Teststrecke.

Zusätzlich zu diesen Untersuchungen wurden die Form und das Volumen von aus der Strömung isolierten Einzelblasen analysiert:

Bild 3 zeigt eine solche Blase, die in einer Zweiphasenströmung bei JG: 1,3 m/s und JW: 1 m/s gemessen wurde. Die Abbildung enthält folgende Visualisierungsformen (von links):

  • Virtuelle Seitenansicht der Gesamtblase
  • Zentraler Längsschnitt durch die Gesamtblase
  • Virtuelle Seitenansicht der Zwischenphasengrenzfläche
  • Zentraler Längsschnitt durch die Zwischenphasengrenzfläche
 

Bereits der virtuelle zentrale Längsschnitt durch die Blase bestätigt ihre zerklüftete Struktur, die auf eine aufgewühlte Strömung hinweist. Der zentrale Schnitt durch die Zwischenphasengrenzfläche zeigt zusätzlich die großen wassergefüllten Bereiche innerhalb der Blase. Somit weist diese Blase aus der DN200 Teststrecke keinerlei Ähnlichkeit mit einer Taylor-Blase auf.

isolierte Einzelblase
Bild 3: Verschiedene Visualisierungsmöglichkeiten
einer Großblase aus der DN200 Teststrecke

Publikationen



Wichtige links

CFD-Rechnungen für Zweiphasenströmungen in vertikalen Rohren

Danksagung

Diese wissenschaftliche Arbeit wurde vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie unter dem Kennzeichen 150 1265 gefördert.

Die Elektronikeinheit für die Gittersensoren wurde in Kooperation mit der Firma TELETRONIC GmbH entwickelt und gebaut.


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