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Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Zweiphasige Umströmung von Hindernissen

Hintergrund

Für die Entwicklung und Validierung von numerischen Strömungsberechnungsverfahren (Computational Fluid Dynamics) werden Experimentaldaten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung benötigt. Neben Zweiphasenströmungen in Rohrleitungen sind Zweiphasenströmungen um einfache Hindernisse gute Benchmark-Systeme für die Code-Validierung. Das Vorhaben befasst sich mit der hochauflösenden Visualisierung von gleichgerichteten Zweiphasenströmungen an Blenden in einer vertikalen Rohrleitung. Dabei kommt die ultraschnelle Röntgentomographie als Bildgebungsverfahren zum Einsatz. Weiterhin wird die Technik der Heißfilmanemometrie für diesen Einsatzzweck qualifiziert und weiterentwickelt.

Versuchsaufbau



Die Untersuchungen erfolgen an einer vertikalen Testsektion der TOPFLOW-Anlage. Die Testsektion besteht aus einer vertikalen Rohrleitung von 5 m Länge und 53 mm Innendurchmesser. In den Experimenten wird die Teststrecke aufwärts von Wasser und Luft durchströmt. Die Luft wird am unteren Ende der Teststrecke durch einen speziellen Gaseinspeiser injiziert, welcher ein sehr homogenes Blasengrößenspektrum erzeugt. Auf halber Höhe der Testsektion befindet sich eine Blende, die die Strömung einschnürt. Mittels des Röntgentomographen ROFEX wird in diversen Ebenen um dieses Hindernis die Strömungsstruktur  bildgebend erfasst. Damit gelingt eine hochdynamische Visualisierung der Gasverteilung. Über die Messung in zwei Ebenen mit je 2,5 kHz Bildrate erfolgt die Bestimmung von Geschwindigkeiten der Gasblasen. Die räumliche Auflösung liegt bei reichlich 1 mm. Der Tomograph kann entlang der vertikalen Teststrecke frei verfahren werden und ermöglicht damit die Untersuchung des Strömungsfeldes an beliebigen axialen Positionen.

Weiterhin erfolgt die Vermessung der Flüssigphasengeschwindigkeit mittels einer Heißfilmsonde. Über die Röntgenschnittbilder kann die Gasverteilung um die Anemometerspitze analysiert werden, wodurch unplausible Messwerte bei Gaskontakt der Sonde von der Auswertung ausgeschlossen werden. Die Experimente werden bei 4 bar Druck und 30 °C Fluidtemperatur durchgeführt. Dabei wird durch Wahl der Gas- und Wasserleerrohrgeschwindigkeiten der Bereich zwischen feindispersen Blasenströmungen bis zu Pfropfenströmungen untersucht. Als Hindernisse kommen eine Ringblende und eine Halbkreisblende zum Einsatz. Die jetzigen Untersuchungen ergänzen frühere Studien mit Dampf/Wasser und unter Einsatz eines Gittersensors an einem beweglichen Hindernis.

Ergebnisse

Die Visualisierung(Video 9MByte) der Messdaten ermöglicht einen direkten Vergleich der Strömungsstruktur mit Ergebnissen der CFD-Simulation. Dargestellt ist ein beispielhafter Vergleich der mittleren senkrechten Rohrebene, welche senkrecht zur geraden Kante des halbkreisförmigen Hindernisses verläuft. Die deutlich ausgeprägte Ungleichverteilung der Phasen in der Nähe des Hindernisses ist in der Schnittbildsequenz gut zu erkennen. Die zeitlich sehr hoch aufgelöste Erfassung der Messdaten ermöglicht dabei die genaue Charakterisierung der Gasphase, unter anderem über die Blasengrößenverteilung (rechtes Diagramm).



Für die CFD-Simulationen wird das Euler-Euler Verfahren verwendet, bei dem sowohl die flüssige, als auch die gasförmige Phase als Kontinuum betrachtet werden. Für die Rechnungen werden Schließungsmodelle benötigt, welche die Wechselwirkungen, d.h. den Austausch von Masse, Impuls und Energie, zwischen den Phasen beschreiben. In dieser Studie wird dafür das inhomogene MUSIG-Modell verwendet. Dieses Modell beschreibt die Gasphase über eine große Anzahl von Blasengrößenklassen und dazugehörige Geschwindigkeitsfelder. Damit können die in dieser Studie dominierenden Blasenkoaleszenz- und Fragmentations-Effekte berücksichtigt werden.

Danksagung

BMWi

Diese Arbeit wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (FKZ 1501481).


Publikationen

  • Neumann, M.; Hampel U.
    Two-Phase Flow Studies in Complex Geometries.
    48th Annular Meeting on Nuclear Technology, 16.05.-17.05.2017, Berlin, Deutschland 

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