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Matthias Beyer
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Dr. Dirk Lucas
Head Computational Fluid Dynamics
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Untersuchung von 3-D-Effekten beim zweiphasigen Umströmen von Hindernissen

Hintergrund und Versuchsaufbau

Bereits in den Jahren 2005 und 2006 waren im Rahmen eines öffentlich geförderten Forschungsprojektes (TOPFLOW-I, BMWi-Förderkennzeichen: 150-1265) ausgeprägte dreidimensionale Strömungen untersucht worden, um thermofluiddynamische Rechenprogramme für zweiphasige Strömungen zu qualifizieren. Hierfür wurde eine vertikale Teststrecke mit einem Innendurchmesser von 193,7 mm mit einem halbkreisförmigen Hindernis ausgerüstet. Da die schnelle Röntgentomographie für die erforderliche Nennweite zu diesem Zeitpunkt als Messsystem noch nicht zur Verfügung stand, kamen Drahtgittersensoren zum Einsatz, die aus konstruktiven Gründen zwischen Flanschpaaren fest montiert waren. Um die Strömungsform im Umfeld des Hindernisses dennoch erfassen zu können, wurde ein bewegliches Hindernis genutzt, dessen Antriebseinheit sowohl stromaufwärts (nachfolgende Abbildung) als auch stromabwärts der Messebene eingebaut worden war. Für die zweite Einbaulage wurde der Mechanismus um 180° gedreht. Für beide Einbaulagen wurden je 8 Abstände zwischen Hindernis und Messebene analysiert.

Zweiphasige Strömungsmessungen im Umfeld eines Hindernisses

Mit diesem Versuchsaufbau wurden sowohl Luft-Wasser- als auch Dampf-Wasser-Strömungen untersucht, wobei die adiabaten Messungen bei einem Druck von ca. 1,5 bar und einer Temperatur von ca. 30 °C durchgeführt wurden. Dampf-Wasser-Gemische strömten bei Drücken von 10, 20, 40 und 65 bar bei annähernder Sättigung um das Hindernis. Die Leerrohrgeschwindigkeiten für Gas und Wasser wurden dabei so gewählt, dass beginnend von der feindispersen Blasenströmung bis zur turbulent aufgewühlten Strömung Ergebnisse zur Verfügung stehen.


Ergebnisse

Der Drahtgittersensor stellt zeitlich und örtlich hoch aufgelöste Informationen zum lokalen Gasgehalt bereit. Die Messungen wurden mit einer Frequenz von 2,5 kHz durchgeführt, woraus sich eine zeitliche Abfolge der Messquerschnitte von 0,4 ms ergibt. Die räumliche Auflösung bestimmt der Drahtabstand in der Messebene, der bei 3 mm lag. Nach der Auswertung der Messdaten stehen Gasgehalts-, Blasengrößen- und Gasgeschwindigkeitsverteilungen über dem Strömungsquerschnitt zur Verfügung. Durch die Analyse der Bewegung von Blasen bestimmter Größe (Markerblasen) konnten auch Abschätzungen der Wassergeschwindigkeit sowohl in Strömungsrichtung als auch im Messquerschnitt bereitgestellt werden.

Die folgenden beiden Datenvisualisierungen zeigen jeweils Gasgehalts- und Wassergeschwindigkeitsverteilungen links in einer Ebene, die durch einen Zentralschnitt entlang der Rohrachse senkrecht zur geraden Kante des Hindernisses gebildet wird. Rechts werden 16 zweidimensionale Verteilungen über den Rohrquerschnitt für die gemessenen Höhenpositionen dargestellt.

Strömungsvisualisierung im Umfeld eines Hindernisses

In beiden Abbildungen sind die durch das Hindernis erzeugten ausgeprägten dreidimensionalen Strömungseffekte gut erkennbar. So zum Beispiel gekrümmte, erheblich vom Gravitationsvektor abweichende Strömungslinien, Rezirkulationsgebiete im Nachlauf der Versperrung und Phasenseparation an den Kanten des Hindernisses.


Ausgewählte Publikationen


Wichtige links

CFD-Rechnungen für Zweiphasenströmungen in einem vertikalen Rohr mit beweglichem Hindernis


Danksagung

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

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