Experimentelle Untersuchung von aufwärtsgerichteten zweiphasigen Rohrströmungen mit ultraschneller Röntgentomographie

Die Entwicklung von CFD-Modellen zur Berechnung von Zweiphasenströmungen für industrielle Anwendungen in der Prozessindustrie stellt eine große Herausforderung dar. Zweiphasenströmungen in Reaktions- oder Trennapparaten sind infolge der auf mehreren Skalen ablaufenden Transportprozesse für Impuls, Stoff und Wärme inhärent hoch komplex. Zur Validierung von CFD-Codes sind daher experimentelle quantitative Daten solcher Strömungen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung erforderlich.
An der TOPFLOW-Versuchsanlage des HZDR werden auf diesem Gebiet umfangreiche Versuche an einer vertikalen DN50-Testsektion mit Luft-Wasser und Dampf-Wasser-Strömungen bis zu p = 65 bar und einer weiten Variation der Leerrohrgeschwindigkeiten für Wasser- und Gasphase durchgeführt. Unter Verwendung der am HZDR entwickelten ultraschnellen Röntgentomographie können Strömungsquerschnitte mit Bildraten von bis zu 2500 frames/s und einer räumlichen Auflösung von etwa 1 mm rückwirkungsfrei erfasst und visualisiert werden. Neben der Ermittlung von Strömungsregimen und weiterer charakteristischer Strömunsgkenngrößen dienen diese Untersuchungen dem Erkenntnisgewinn über Strömungsdetails, wie etwa Blasenkoaleszenz und –zerfall, radiale Gasgehaltsprofile, Strömungsverhalten von Kleinblasen in Abhängigkeit benachbarter Blasen sowie Geschwindigkeitsinformationen, in hochturbulenten Zweiphasenströmungen bei industriell relevanten Gasgehalten. Mit Hilfe von speziell entwickelten Bildauswertungsroutinen können diese Daten analysiert und für die Zweiphasen-CFD-Modellvalidierung aufbereitet werden. In diesem Beitrag wird ein Überblick über bisherige Versuche und deren Ergebnisse gegeben.
Diese Arbeit wird im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojekts, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie unter der Projektnummer 150 1411 gefördert wird, durchgeführt.