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Matthias Beyer
Experimental Thermal Fluid Dynamics
m.beyerAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 3465, 2865
Fax: 13465, 2818

Dr. Dirk Lucas
Head Computational Fluid Dynamics
d.lucasAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2047
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Untersuchung von 3-D-Effekten in Zweiphasenströmungen in vertikalen Rohrleitungen

Vertikale Teststrecke mit variablem Hindernis

Motivation und Grundlagen

Im Rahmen dieser Experimente wurde die große Teststrecke mit einem Nenndurchmesser von 200 mm zur Untersuchung von Strömungsfeldern in der Umgebung eines asymmetrischen Hindernisses genutzt. Diese Versuchsdaten ermöglichen interessante Testrechnungen mit CFD-Codes, da das Hindernis ausgeprägte dreidimensionale Strömungen erzeugt. Gekrümmte Stromlinien, die erheblich vom Gravitationsvektor abweichen, Rezirkulationsgebiete im Nachlauf der Versperrung und Phasenseparation an den Kanten des Hindernisses sind interessante Effekte, die in technischen Systemen von Industrieanlagen vielfach auftreten.

Da es technisch nicht möglich war, einen beweglichen Gittersensor zu konstruieren, wurde die andere Möglichkeit genutzt: Dabei wird der Sensor stationär montiert und das Hindernis - ein halbmondförmiges Edelstahlblech - wird im Rohr (Bild 1) auf- und abwärts bewegt.

Die in Bild 2 dargestellte Konstruktion kann sowohl ober- als auch unterhalb (um 180° gedreht) in die Teststrecke eingebaut werden. Somit besteht die Möglichkeit, Strömungsfelder sowohl stromauf- als auch stromabwärts vom Hindernis zu erfassen. Um möglichst optimale Messdaten über die 3-D-relevanten Strömungen zu erhalten, wurden die folgenden Abstände zwischen der Messtechnik und dem Hindernis eingestellt: ± 520 mm, ± 250 mm, ± 160 mm, ± 80 mm, ± 40 mm, ± 20 mm, ± 15 mm, ± 10 mm.

Bewegliches Hindernis mit Antriebs- und Führungsmechanismus
Bild 2: Versuchsmodul mit
beweglichem Hindernis
Bild 1: Teststrecke DN200 mit Gittersensor und beweglichem Hindernis

Mit dieser Testanordnung wurden Versuchsserien sowohl mit einem Luft/Wasser-Gemisch bei Umgebungsbedingungen (30 °C und 1 bar) als auch mit einer Dampf/Wasser-Strömung bei Sättigungsbedingungen (Drücke: 1, 2, 4 und 6,5 MPa) für folgende Leerrohrgeschwindigkeiten durchgeführt: Gas: 0,04 - 0,8 m/s; Wasser: 0,1 - 1,6 m/s. Ausführliche Informationen zu den Randbedingungen für Luft/Wasser- bzw. Dampf/Wasser-Strömungen enthalten diese Web-Seiten.

Alle Messungen wurden mit einem Hochtemperatur-Gittersensor DN200 durchgeführt. Die ausgewerteten Messdaten dienen zur Analyse von Gasgehalts-, Geschwindigkeits- und Blasengrößenverteilungen.


Ergebnisse

Die Bilder 3 und 4 zeigen Gasgehalts- und Geschwindigkeitsverteilungen in einer Ebene, die durch einen Zentralschnitt entlang der Rohrachse senkrecht zur geraden Kante des halbkreisförmigen Hindernisses gebildet wird. Zusätzlich enthalten die Abbildungen 16 zweidimensionale Verteilungen die dem Messquerschnitt des Sensors entsprechen.

Luft/Wasser Strömung JL = 1,6 m/s, JG = 0,09 m/s
Bild 3: Luft/Wasser-Strömung, JL = 1,6 m/s, JG = 0,09 m/s
Dampf/Wasser Strömung JL = 1,6 m/s, JG = 0,14 m/s
Bild 4: Dampf/Wasser-Strömung bei 6,5 MPa,
JL = 1,6 m/s, JG = 0,14 m/s
  • Beginnend bei einer axialen Position von 80 mm stromaufwärts des Hindernisses nehmen die Geschwindigkeitsprofile eine asymmetrische Form an, wobei sie ein ausgeprägtes Maximum an der unversperrten Seite des Rohres ausbilden.
  • An der stromaufwärts gerichteten Seite des Hindernisses ist deutlich ein Staupunkt im Geschwindigkeitsbild zu erkennen, wobei der Gasgehalt ein lokales Minimum in diesem Bereich zeigt.
  • Stromabwärts von der Strömungsversperrung formt sich ein "Geschwindigkeits-Jet" heraus, der bis zum Ende des Messbereiches bestehen bleibt.
  • Das Strömungsgleichgewichtsprofil, dass 520 mm stromaufwärts des Hindernisses bestand, kann sich 520 mm stromabwärts noch nicht wieder einstellen.
  • Stromabwärts der Versperrung wurde ein Gasgehaltsmaximum gefunden, dass annähernd der geraden Kante des Hindernisses folgt.
  • Weiterhin wurde eine deutliches Gasgehaltsmaximum unmittelbar über der halbkreisförmigen Platte gefunden, dass ein Rezirkulationsgebiet darstellt.
  • Stromabwärts des Hindernisses (20 - 160 mm) bildet sich eine relativ komplizierte zweidimensionale Gasgehaltsverteilung heraus, die lediglich bei den Luft/Wasser-Strömungen (Bild 3) zu einem "Gasgehaltsloch" 520 mm oberhalb der Versperrung führt.
  • Abgesehen von diesem "Gasgehaltsloch" verhalten sich die Dampf/Wasser-Strömungen ähnlich den Luft/Wasser-Gemischen.
  • Generell ist der Gasgehalt bei Dampf/Wasser-Strömungen geringer, da es zu Kondensation in der Teststrecke kommt. Aus diesem Grund zeigt Bild 4 eine Dampf/Wasser-Strömung mit einer höheren Gas-Leerrohrgeschwindigkeit, um Luft/Wasser- und Dampf/Wasser-Gemische miteinander vergleichen zu können.
  • Die Analyse der Dampf/Wasser-Strömungen bei verschiedenen Drücken zeigt, dass die Dampfkondensation bei hohen Drücken (6,5 MPa) weniger ausgeprägt auftritt.

Publikationen


Wichtige links

CFD-Rechnungen für Zweiphasenströmungen in einem vertikalen Rohr mit beweglichem Hindernis


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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