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Prof. Dr. Uwe Hampel
Head Experimental Thermal Fluid Dynamics
u.hampel@hzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2772
Fax: 12772, 2383

Röntgentomographie von Taylorblasen in kapillaren Zweiphasenströmungen

Das Projekt „Röntgentomographie von Taylorblasen in kapillaren Zweiphasenströmungen“ ist eingebettet in das Schwerpunktprogramm SPP 1506 „Transportprozesse an fluiden Grenzflächen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Mit der Leitmaßnahme „Taylor-Flow“ wird dabei ein systematisches Taylorblasen-Referenzexperiment definiert, welches als Benchmark-Problem zur gemeinsamen Validierung mathematischer Modelle und numerischer Methoden dient. Insbesondere arbeiten an diesem Thema im Rahmen des SPP sowohl experimentelle Gruppen (HZDR, TU Hamburg-Harburg) als auch numerische Gruppen (KIT, TU Darmstadt, RWTH Aachen, TU Dresden, OvGU Magdeburg, FAU Erlangen-Nürnberg) zusammen.

Neue Entwicklungen in Mikroreaktoren, kompakten Wärmetauschern, Mikrokondensationsanlagen oder Brennstoffzellen erfordern die präzise Kenntnis der Strömungsdynamik in kleinskaligen Kanälen mit hydraulischen Durchmessern im Millimeterbereich. Dabei sind besonders in Mikroreaktoren Taylorblasenströmungen das angestrebte Strömungsregime. Sie zeichnen sich durch intensivierten Gas-Flüssigkeits-Kontakt im Film um die Blase und eine verbesserte turbulente Durchmischung im Flüssigkeitspfropfen hinter den Blasen aus. Die Kenntnis der Strömungstopologie und präzise Vermessung der Flüssigkeitsfilmdicke und der Blasenform auf mikroskopischen Längenskalen ist ein entscheidender Faktor für die Entwicklung and Bewertung von Wärme- und Massetransportmodellen und von grenzflächenauflösenden numerischen Strömungssimulationswerkzeugen. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer röntgentomographischen Methode zur Vermessung der dreidimensionalen Gestalt der sich in den Kapillaren bewegenden Taylorblasen.

Innerhalb des Projekts wurde ein experimenteller Strömungsaufbau zur Untersuchung von sich aufwärts bewegenden einzelnen Taylorblasen in kapillaren Kanälen realisiert. Die hydraulischen Durchmesser der quadratischen und runden Querschnitte der Kapillare betragen dh = 2 mm. Es wurden Blasengeschwindigkeiten von Ub = 20 … 200 mm/s realisiert. Mittels Synchrotronstrahlung wurden hochauflösende Hochgeschwindigkeits-Röntgenvisualisierungen mit der an der Beamline zur Verfügung stehenden Auflösung von 5,6 µm Pixelkantenabstand bei einem maximalen Bildfeld von 5,7 x 5,7 mm² und einer maximalen Bildwiederholrate von 36.000 Bildern pro Sekunde durchgeführt. Die entsprechend kurzen Röntgen-Belichtungszeiten ermöglichen die Beobachtung der Blasen ohne Bewegungsartefakte. Durch die Implementation eines Blasenverfolgungsalgorithmus wurden vorhandene Redundanzen in den aufgenommenen Bildsequenzen der vorbeiströmenden Taylor-Blasen zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis genutzt. Damit ist es möglich, die mittlere Form einzelner Taylorblasen, d.h. die projizierte Grenzfläche zwischen kontinuierlicher Flüssigkeits- und disperser Gasphase, mit einer Unsicherheit von weniger als 2,5 µm zu bestimmen. Die Wiederholgenauigkeit beträgt dabei ebenfalls wenige Mikrometer. Darüber hinaus wurden die ensemble-gemittelte Form der Spitzen und Enden der in quadratischen Kapillaren strömenden Taylorblasen tomographisch dreidimensional vermessen.

Abb. 1: Experimenteller Aufbau für die röntgentomographische Vermessung einer Taylorblasenströmung.

Referenzen

  • S. Aland, S. Boden, A. Hahn, F. Klingbeil, M. Weismann, S. Weller.
    Quantitative comparison of Taylor Flow simulations based on sharp- and diffuse-interface models.
    International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2013, doi:10.1002/fld.3802.
  • H. Marschall, S. Boden, Ch. Lehrenfeld, C. J. Falconi D., U. Hampel, A. Reusken, M. Wörner, D. Bothe.
    Validation of Interface Capturing and Tracking Techniques with different Surface Tension Treatments against a Taylor Bubble Benchmark Problem,
    2013. Submitted.

Förderung

Das Projekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) innerhalb des Schwerpunktprogramms 1506 „Transportprozesse an fluiden Grenzflächen“ (Projekt HA3088/7-1, Laufzeit 2010-2013).


Kooperationen



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