Flüssig-Gas-Strömungen in vertikalen Rohren

Wissenschaftlicher Hintergrund

Das Institut für Fluiddynamik leistet schon seit vielen Jahren einen wesentlichen Beitrag für die Entwicklung von Computerprogrammen zur Strömungssimulation. Um diese Arbeiten effektiv zu gestalten, bestehen Kooperationsvereinbarungen mit den Softwareentwicklern, wie zum Beispiel ANSYS CFX oder der Gesellschaft für Reaktorsicherheit. Je nach Komplexität der Strömung kommen eindimensionale oder dreidimensionale Programme zum Einsatz.

Beide Varianten liefern gute Ergebnisse bei der Berechnung von einphasigen Strömungen. Sobald jedoch zweiphasige Gemische betrachtet werden, ist die Qualität der Strömungsvorhersagen noch unzureichend. Um diesen Zustand zu verbessern, werden Messdaten in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung benötigt, anhand derer Modelle für die einzelnen Strömungsphänomene entwickelt und in einem weiten Parameterbereich (z.B. Druck, Temperatur, Phasengeschwindigkeiten) validiert werden können.

Die Untersuchung von Zweiphasenströmungen in vertikalen Rohren stellt einen wesentlichen Schwerpunkt bei der Codevalidierung dar. So bilden sich beispielsweise in glatten Rohren rotationssymmetrische Strömungen parallel zum Gravitationsvektor heraus, bei denen nur eine begrenzte Anzahl von Strömungsphänomenen berücksichtigt werden muss. Somit können die verbleibenden Effekte gezielt betrachtet und einzeln verbessert werden, was die Strömungssimulation vereinfacht.

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Experimentelle Arbeiten und Ergebnisse

In der Abteilung für Experimentelle Thermofluiddynamik begann die Untersuchung von Zweiphasenströmungen mit dem Aufbau des Versuchsstandes MTLoop (1995). Hierbei handelte es sich um eine Strömungsschleife mit einer vertikalen Teststrecke (Länge: 5,7 m; Nennweite: DN50), in der hauptsächlich Luft-Wasser-Versuche durchgeführt wurden. Dabei kamen Drahtgittersensoren zum Einsatz, mit denen qualitative Untersuchungen der Strömungsform durchgeführt sowie Gasgehalt, Gasgeschwindigkeitsprofile und Blasengrößenverteilungen bestimmt wurden.

Aufbauend auf den Erfahrungen mit MTLoop wurde die TOPFLOW-Anlage (Inbetriebnahme 2002) errichtet, die erweiterte versuchstechnische Möglichkeiten bereitstellt. Der Teststreckenkreislauf von TOPFLOW bietet neben einem vertikalen DN50 auch ein DN200 Rohr, so dass der Einfluss des Rohrdurchmessers auf die Strömung umfassend untersucht werden konnte. Außerdem wurde die nutzbare Länge beider Teststrecken auf ca. 8 m erweitert und der zulässige Druckbereich auf 7 MPa erhöht. Neben diesen Verbesserungen kann TOPFLOW auch wesentlich höhere Volumenstromdichten für Luft, Dampf und Wasser bereitstellen, so dass auch in der DN200 Testsektion Ringströmungen analysiert werden können. Ebenso wie bei MTLoop kommen auch in den vertikalen Teststrecken von TOPFLOW weiterentwickelte Gittersensoren zur Erfassung der Gasgehalte zum Einsatz.

Strömungsvisualisierungen von Gittersensordaten, links DN50, rechts DN200; jw: 1 m/s, jg je Bild von links nach rechts ansteigend von 0,04 m/s bis 1,3 m/s, eingelaufene aufwärts gerichtete Strömung

In der Abbildung sind sehr anschaulich die Unterschiede der Strömungsformen zu erkennen. Bei sonst gleichen Randbedingungen bilden sich in der DN50-Leitung Taylor-Blasen während im DN200-Rohr eine turbulent aufgewühlte Strömung vorliegt.

Neben der Bestimmung der Strömungsformen in Abhängigkeit der Versuchsrandbedingungen können auch diverse Gasgehalts-, Gasgeschwindigkeits- sowie Blasengrößenverteilungen zur Modellentwicklung genutzt werden. Vor allem an einer speziell konstruierten DN200-Teststrecke wurden viele Experimente zur Untersuchung der Strömungsentwicklung von der Gemischbereitstellung bis zur maximal verfügbaren Einlauflänge durchgeführt, anhand derer vor allem Daten zur Validierung der Blasenkräfte gewonnen wurden. Unter anderem konnte die Korrelation zur Tomyama-Liftkraft experimentell für Zweiphasenströmungen bei industrierelevanten Parametern bestätigt werden.

Auch im Bereich nicht-adiabater Strömungen konnten weltweit einmalige Daten gemessen werden. So wurden Dampf-Wasser-Strömungen bei Drücken bis 6,5 MPa mit definierter Unterkühlung der Wasserphase bis zu 17 K untersucht und neben den Strömungsdaten Informationen zum Kondensationsverhalten bestimmt. Diese Daten sind zur Validierung der Wärmeübergangs- bzw. Kondensationsmodelle unentbehrlich. Auch zwei Typen von Druckentlastungsexperimenten konnten im Teststreckenkreislauf der TOPFLOW-Anlage erfolgreich durchgeführt werden. Einerseits wurde ruhendes Sattwasser kontrolliert entspannt und dabei die Gasgehalte bestimmt. Im anderen Fall wurde definiert zirkulierendes Sattwasser druckentlastet. Diese Experimente lieferten wichtige Daten zur Prüfung und Ertüchtigung der Verdampfungsmodelle in den Simulationsprogrammen.

Da parallel zu den experimentellen Aktivitäten auch die Entwicklung von innovativer Messtechnik für Zweiphasenströmungen weitergeführt wurde, steht seit 2010 ein schnelles Röntgentomographiesystem für nicht invasive Messungen des Phasenzustands an TOPFLOW zur Verfügung. Für dieses Messsystem wurde eine spezielle vertikale Teststrecke aus Titan aufgebaut und an die Anlage angeschlossen. Mit diesem Versuchsaufbau wurden viele aufwärtsgerichtete bereits mit Gittersensoren durchgeführte Messungen wiederholt und neben genaueren Daten auch die Qualität der Gittersensor-Messtechnik überprüft.

Darstellung von Zwischenphasengrenzflächen anhand von Tomographiedaten; jw: 1 m/s, jg ansteigend von 0,004 m/s bis 3,2 m/s, eingelaufene aufwärts gerichtete Strömung

Ein wesentlicher Vorteil des nicht-invasiv messenden Tomographiesystems ist jedoch, dass neben aufwärtsgerichteten, jetzt erstmalig auch abwärts gerichtete Strömungen und gegenläufige Prozesse untersucht werden können. Bei diesen Strömungsformen verändert sich die Wirkung einiger Blasenkräfte, so dass mit den Daten neue Möglichkeiten zur Codevalidierung bestehen. Neben Gasgehalts- und Geschwindigkeitsprofilen sowie Blasengrößenverteilungen können jetzt auch Daten zur Zwischenphasengrenzfläche bestimmt werden. Außerdem ermöglichen die Tomographiedaten auch die Berechnung von Einzelblasengeschwindigkeiten.

Der aktuelle Stand zur Simulation von Zweiphasenströmungen in vertikalen Rohrleitungen wird auf dieser Seite vorgestellt.

Publikationen

• M. Banowski, Prof. U. Hampel, E. Krepper, M. Beyer, D. Lucas (2018).
  Experimental Investigation of Two-Phase Pipe Flow with Ultrafast X-ray Tomography and comparison with state-of-the-art CFD simulation.
  Nuclear Engineering and Design, im Druck.
• M. Banowski, M. Beyer, L. Szalinski, D. Lucas, U. Hampel (2017).
  Comparative study of ultrafast X-ray tomography and wire-mesh sensors for vertical gas-liquid pipe flows.
  Flow Measurement and Instrumentation 53, 95-106.
• M. Banowski, D. Lucas, L. Szalinski (2015).
  A new algorithm for segmentation of ultrafast X-ray tomographed gas-liquid flows.
  International Journal of Thermal Sciences 90, 311-322.
• N. K. Omebere-Iyari, B. J. Azzopardi, D. Lucas, M. Beyer, H.-M. Prasser (2008).
  Gas/liquid flow in large risers.
  International Journal of Multiphase Flow 34, 461-476.
• H.-M. Prasser (2007).
  Evolution of interfacial area concentration in a vertical air-water flow measured by wire-mesh sensors.
  Nuclear Engineering and Design 237, 1608-1617.
• H.-M. Prasser, M. Beyer, A. Böttger, H. Carl, D. Lucas, A. Schaffrath, P. Schütz, F.-P. Weiß, J. Zschau (2005).
  Influence of the pipe diameter on the structure of the gas/liquid interface in a vertical two-phase pipe flow.
  Nuclear Technology 152, 3-22.

Danksagung

Das dieser Arbeit zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter den Förderkennzeichen 150 1215, 150 1265, 150 1329, 150 1411 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt liegt bei den Autoren.