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Stratifizierte Strömungen

Hintergrund

Stratifizierte oder geschichtete Strömungen entstehen, wenn mindestens 2 Fluide mit unterschiedlichen Dichten in horizontalen oder leicht geneigten Kanälen gemeinsam strömen. Hierbei trennen sich auf Grund der Schwerkraft beide Fluide, wobei sich Grenzflächen zwischen ihnen bilden. In Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeiten aber auch weiterer Parameter, wie z.B. der Oberflächenspannung und Viskosität sind diese Grenzflächen mehr oder weniger stabil. Es bilden sich verschiedene Strömungsregime, wie zum Beispiel die Wellenströmung oder die Schwallströmung heraus.

Schwallströmung im HAWAC

Schwallströmung im Testkanal HAWAC

Die Untersuchung derartiger Strömungssysteme ist für die Bewertung des Stoff- und Energieaustauschs in Apparaten und Komponenten sehr wichtig. So beeinflusst die Größe der Grenzfläche die Reaktionsgeschwindigkeit in chemischen Reaktoren wesentlich. Ein weiteres Beispiel ist die sicherheitstechnische Auslegung bzw. Bewertung von Rohrleitungssystemen in der Kraftwerkstechnik oder von Förderanlagen in der Ölindustrie. Hier gilt es, Effekte wie z.B. Flüssigkeitsschläge, die bei Schwallströmungen auftreten können, sicher zu vermeiden, um Schäden an den Rohrleitungen zu verhindern.

Beim heutigen Stand von Wissenschaft und Technik wird angestrebt, Strömungsvorgänge in komplexen Geometrien mittels leistungsfähiger Rechentechnik realitätsnah zu simulieren. Vor allem im Bereich zweiphasiger Strömungen, also auch für stratifizierte Strömungen, besteht hier noch weiterer Verbesserungsbedarf. Um die Modelle, die der Strömungssimulation zugrunde liegen, optimieren zu können, werden qualitativ hochwertige Messdaten in hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung benötigt.


Experimentelle Arbeiten und Ergebnisse

Die Abteilung Experimentelle Thermofluiddynamik am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf führt schon seit vielen Jahren experimentelle Arbeiten zur Charakterisierung von stratifizierten Strömungen durch. Der erste Schritt waren grundlegende Untersuchungen an einem transparenten horizontalen Kanal mit rechteckigem Querschnitt (HAWAC), bei denen vor allem die Strömungsformen in einem weiten Bereich der Gas- und Wasserleerrohrgeschwindigkeiten erfasst und in einer Strömungskarte zusammengefasst wurden. Außerdem wurden hydraulische Sprünge detailliert analysiert und mittels PIV (particle image velocimetry) lokale Geschwindigkeiten an Wasserschwällen gemessen. Der HAWAC wurde mit Luft und Wasser im Gleichstrom bei Atmosphärendruck betrieben.

Die Fortsetzung dieser Arbeiten erfolgte in einem multifunktionalen Testbassin (DENISE), indem ebenfalls horizontale geschichtete Strömungen jedoch mit einem Dampf-Wasser-Gemisch im Gleichstrom untersucht wurden. Neben der Variation der Phasengeschwindigkeiten wurden bei diesen Messungen auch der Systemdruck bis 5 MPa und die Unterkühlung der Wasserphase von 0 bis 150 K geändert. Im Unterschied zu den HAWAC-Experimenten kommt es im Testbassin DENISE zum Energieaustausch zwischen den Phasen, so dass Kondensation auftritt. Als Ergebnis dieser Versuchsserie sind Daten zu den Strömungsformen und Kondensationsraten in einem weiten Parameterbereich verfügbar.

Strömungsvisualisierung DENISE

Strömungsvisualisierung aus dem Testbassin DENISE, Parameter: Druck: 2,5 MPa, Wasserunterkühlung: 50 K, Dampf-Wasser-Gleichstrom von links nach rechts, variable Gasgeschwindigkeiten: oben: 2,2 m/s, mittig: 3,6 m/s, unten: 5,3 m/s

Sowohl im HAWAC-Kanal als auch im DENISE-Bassin wurden ungestörte Strömungen untersucht. Experimente in einer realitätsnahen komplexen Geometrie erfolgten im Heißstrangexperiment. Hierbei wurden Gleich- als auch Gegenstromexperimente in der Nachbildung eines „heißen Strangs“ eines Druckwasserreaktors inklusive der Einlaufkammer eines vertikalen Dampferzeugers durchgeführt.

Experimente wurden für Luft-Wasser- und Dampf-Wasser-Gemische bei Drücken bis 5 MPa durchgeführt und die Daten für die Codevalidierung bereitgestellt. Eine umfangreiche Testserie wurde dabei der Untersuchung der partiellen und vollständigen Gegenstrom¬begren¬zung gewidmet. Ergebnis dieser Experimente sind einerseits qualitativ hochwertige Flutkurven bei denen sich signifikante Abhängigkeiten vom Systemdruck zeigen. Außerdem stehen Schwallfrequenzen zur Verfügung.

Ein weiteres Beispiel für die Untersuchung von stratifizierten Strömungen im Rahmen der nuklearen Sicherheitsforschung ist die Bewertung der Vermischung von kaltem Notkühlwasser mit heißem Kühlmittel in der Hauptkühlmittelleitung von Druckwasserreaktoren zur Abschätzung des Risikos von Materialschäden im Reaktordruckgefäß durch thermische Spannungen (Pressurized Thermal Shock: PTS). Hierbei können ebenfalls stratifizierte Strömungen in der Hauptkühlmittelleitung auftreten, wobei die Dichteunterschiede auf Grund der verschiedenen Temperaturen des gleichen Mediums (Wasser) entstehen. Gemessen wurden Temperatur- und Geschwindigkeitsprofile in der Hauptkühlmittelleitung sowie Temperaturfelder auf ihrer Oberfläche. Außerdem wurde die Strömungsform der Notkühleinspeisung optisch erfasst.

Neben diesen Aktivitäten wurden im Tomographielabor der TOPFLOW-Anlage Kondensationsversuche in einem leicht geneigten Rohr (COSMEA) durchgeführt. Auch hier stellt sich, bei entsprechender Kondensationsleistung, eine stratifizierte Strömung ein, deren mittlere Gerinnehöhe mit einem konventionellen Röntgen-CT-System nichtinvasiv bestimmt wurde. Zusätzlich wurde der azimuthal aufgelöste Wärmestrom erfasst. Diese Daten liefern einen wesentlichen Beitrag zur Ertüchtigung der Kondensationsmodelle in den Computercodes.


Publikationen


Danksagung

Das dieser Arbeit zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 150 1265, 150 1329 und 150 1411 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt liegt bei den Autoren.

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