Entwicklung von Zweiphasenmeßtechnik für vergleichende Untersuchungen zur Beschreibung von transienten Strömungen in Rohrleitungen

Für die Untersuchung von transienten Zweiphasenströmungen in Rohrleitungen, bzw. Rohrleitungssegmenten wurden im Fraunhofer-Institut für Umwelt, Sicherheits- und Energietechnik e.V. Oberhausen (UMSICHT) eine Druckstoßanlage als Freiluftanlage errichtet. Diese Anlage besteht aus zwei ca. 200 m langen Rohrleitungen mit den Nennweiten DN50 und DN100. Aufgabe des FZR war die Instrumentierung der Anlage mit Zweiphasenmeßtechnik sowie die Mitwirkung bei den experimentellen Untersuchungen und deren Interpretation. Die Anlage wurde vom FZR mit 16 nadelförmigen Leitfähigkeitssonden, einem neuartigen Gittersensor-Meßsystem und Ultraschall-Aufnehmern ausgerüstet. Mit den Gittersensoren, die 1024 Messungen pro Sekunde ermöglichten, wurde die bisher zugängliche Zeitauflösung hinsichtlich der Erfassung des gesamten Strömungsquerschnitts um etwa eine Größenordnung überboten. Die hinter einer schnellschließenden Klappe auftretenden großräumige Kavitationsblasen wurden visualisiert, deren maximale Ausdehnung in Strömungsrichtung mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit und Rohrleitungslänge anwächst. Innerhalb der Kavitationsblase liegt kurze Zeit nach dem Schließen der Armatur eine geschichtete Strömung vor. Die durch den Gegendruck abgebremste und erneut in Richtung auf die Armatur beschleunigte Flüssigkeitssäule prallt als Schwall auf die geschlossene Armatur, wodurch der Kavitationsschlag entsteht. Nachfolgend werden durch Reflexionen der Druckwelle weitere Kavitationsblasen erzeugt. In der Klappe tritt während des Schließvorgangs Kavitation auf. Die charakteristischen Dampfgehaltsverteilungen sind stark transient und weisen ausgeprägte räumliche Verteilungen auf. Auch vor der schnellschließenden Armatur treten unter bestimmten Bedingungen Kavitationsblasen auf, wenn die anfängliche Druckwelle vom Anfang der Rohrleitung als Entspannungswelle reflektiert wird und zurückkehrt.