Aufbau und Durchführung von Experimenten an der Mehrzweck-Thermohydraulikversuchsanlage TOPFLOW für generische Untersuchungen von Zweiphasenströmungen und die Weiterentwicklung und Validierung von CFD-Codes - Abschlussbericht

Ziel der Arbeiten war die Weiterentwicklung und Validierung von Modellen in CFD-Codes. Hierzu wurde am FZD die thermohydraulische Versuchsanlage TOPFLOW aufgebaut und mit räumlich und zeitlich hochauflösenden Gittersensoren ausgestattet. Vertikale Teststrecken mit Nenndurchmessern von DN50 bzw. DN200 für Luft/Wasser- sowie Dampf/Wasser-Strömungen lieferten Ergebnisse zur Entwicklung von Strömungsformen, zum Verhalten der Zwischenphasengrenzfläche sowie zum Wärme- und Impulsaustausch zwischen den Phasen. Die Validierung des CFD-Codes in komplexen Geometrien erfolgte anhand von 3D Gasgehalts- und Geschwindigkeitsfeldern, die bei Umströmung eines asymmetrischen Hindernisses auftreten, das in der Teststrecke DN200 eingebaut war. Im Hinblick auf Strömungen mit freier Oberfläche untersuchte das FZD in zwei horizontalen Acrylglas-Kanälen geschichtete Zweiphasenströmungen im Gleich- bzw. Gegenstrom sowie Schwallströmungen. Bei den Nachrechnungen dieser Versuche gelang die Simulation der Schwallentstehung.
Entsprechend des Projektziels wurden die experimentellen Ergebnisse zur Modellentwicklung genutzt. Bei vertikalen Strömungen stand die Wirkung der lateralen Blasenkräfte (z. B. Liftkraft) im Vordergrund. Zum Test unterschiedlicher Modellansätze wurde hierzu ein Mehrblasenklassen-Testsolver entwickelt und genutzt. Darauf aufbauend wurde ein neues Konzept für ein Mehrblasenklassenmodell, das Inhomogene MUSIG Modell erarbeitet und in den kommerziellen CFD Code CFX (ANSYS) implementiert. Bei Validierungsrechnungen zeigte sich, dass vor allem die Blasenkoaleszenz- und –zerfallsmodelle weiter optimiert werden müssen. Untersuchungen zu Einzeleffekten, wie z. B. die Abschätzung von Turbulenzkoeffizienten und die Analyse der Trajektoren von Einzelblasen in unmittelbarer Wandnähe, lieferten weitere wichtige Ergebnisse des Projekts.