Polydisperse Blasenströmungen in vertikalen Rohren

Das generelle Ziel der Arbeiten zur Thermofluiddynamik von Mehrphasenströmungen besteht in der Ertüchtigung von Computational Fluid Dynamics (CFD) Codes zur Beschreibung komplexer Strömungssituationen mit industrieller Relevanz. Hierzu sind die Wechselwirkungsmechanismen zwischen den Phasen, d.h. der Austausch von Masse, Impuls und Energie zu beschreiben. Im Fall von Blasenströmungen hat der Blasendurchmesser  einen starken Einfluss auf diese Austauschbeziehungen. Für die Simulation polydisperser Blasenströmungen ist daher eine Aufteilung der Gasphase in eine Anzahl von Blasengrößengruppen erforderlich. Der Austausch zwischen diesen Gruppen wird unter anderem durch Blasenkoaleszenz und Basenfragmentation bestimmt. Die Arbeiten zur Entwicklung und Validierung entsprechender Modelle und Schließungsbeziehungen basieren auf Experimenten an der TOPFLOW Versuchsanlage, die mit für diesen Zweck entwickelter fortgeschrittener Zweiphasenmesstechnik ausgerüstet wurde. Studien zu Modellkonzepten, Anzahl der benötigten Blasenklassen und geeigneten Schließungsmodellen wurden mit dem dafür entwickelten Mehrblasenklassen-Testsolver durchgeführt. Im Ergebnis dieser Unteruschungen wurde das Konzept für das Inhomogene MUSIG (MUlti Bubble SIze Group) Modell entwickelt (s. Krepper et al., 2005) und gemeinsam mit dem Codeentwickler ANSYS in den CFD-Code CFX implementiert.

Bei dem Modellansatz des Inhomogenen MUSIG-Modells wird eine relativ große Anzahl von Blasenfraktionen zur Beschreibung der Blasenkoaleszenz und Fragmentation angesetzt, die einer relativ kleinen Anzahl von Gasgeschwindigkeitsfeldern zugeordnet sind (s. Bild 1).

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Die Simulationen für Luft/Wasser und für Dampf/Wasser wurden zunächst unter Sättigungsbedingungen, d.h. bei vernachlässigbarem  Phasenaustausch durchgeführt. Für alle diese Testfälle wurde die Simulation von nur zwei Geschwindigkeitsfeldern der Gasphase als ausreichend für eine Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen gefunden. Die radiale Separation kleiner und großer Blasen wird dadurch sehr gut wiedergegeben und das Potential dieses Modellansatzes wurde demonstriert. Probleme wurden bei der Beschreibung der Blasenkoaleszenz und Blasenfragmentation sichtbar. Durch entsprechende Anpassungsfaktoren  konnte zwar jeweils eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten erzielt werden. Es konnte jedoch kein für alle Strömungssituationen gültiger Parametersatz gefunden werden. Hierzu sind weitere Entwicklungen zur Verbesserung dieser Modelle erforderlich. Validierungsrechnungen für das Inhomogene MUSIG-Modell wurden auch für polydisperse Blasenströmungen in komplexen Geometrien durchgeführt.

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Publikationen

• Krepper, E.; Frank, T.; Lucas, D.; Prasser, H.-M.; Zwart, P.
  A population balance approach for polydispersed bubbly flows considering size dependent bubble forces.
  6^th International Conference on COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS in the Oil & Gas, Metallurgical and Process Industries, 10.-12.06.2008, Trondheim, Norway
• Krepper, E. ,Lucas, D.,  Frank, Th. Prasser, H.-M.,  Zwart, Ph. J.
  The inhomogeneous MUSIG model for the simulation of polydispersed flows.
  Nuclear Engineering and Design 238,  1690–1702
• Frank, T., Zwart, PJ.,  Krepper, E.,  Prasser, H.-M.,  Lucas, D.
  Validation of CFD models for mono- and polydisperse air–water two-phase flows in pipes.
  Nuclear Engineering and Design 238, 647-659
• Krepper, E.; Frank, T.; Lucas, D.; Prasser, H.-M.; Zwart, Philip J.
  Inhomogeneous MUSIG model – a population balance approach for polydispersed bubbly flows.
  The 12^th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-12), 30.09.-04.10.2007, Pittsburgh, USA
• Krepper, E.; Frank, T.; Lucas, D.; Prasser, H.-M.; Zwart, Philip J.
  Inhomogeneous MUSIG model – a population balance approach for polydispersed bubbly flows.
  6^th International Conference on Multiphase Flow, ICMF06, 09.-13.07.2007, Leipzig, Germany, Paper No S_6_Thu_B_51
• Krepper, E.; Beyer, M.; Frank, T.; Lucas, D.; Prasser, H.-M.
  Application of a population balance approach for polydispersed bubbly flow.
  6^th International Conference on Multiphase Flow, ICMF06, 09.-13.07.2007, Leipzig, Germany, Poster No PS6_6
• Frank, T.; Zwart, P.; Krepper, E.; Prasser, H.-M.; Lucas, D.
  Validation of CFD models for mono- and polydisperse air-water two-phase flows in pipes.
  OECD/NEA International Workshop on The Benchmarking of CFD Codes for Application to Nuclear Reactor Safety (CFD4NRS, 05.-09.09.2006, Garching, Germany, Proceedings paper B6-32
• Frank, T.; Zwart, P.; Shi, J.-M.; Krepper, E.; Lucas, D.; Rohde, U.
  Inhomogeneous MUSIG model – a population balance approach for polydispersed bubbly flow.
  International Conference Nuclear Energy for New Europe, 05.-08.09.2005, Bled, Slovenia
• Krepper, E., Lucas, D., Prasser, H.-M.
  On the Modelling of bubbly flow in vertical pipes.
  Nuclear Engineering and Design  235, 597-611
• Shi, J.-M., Zwart, P.-J., Frank, T., Rohde U. and Prasser, H.-M.
  Development of a multiple velocity multiple size group model for poly-dispersed multiphase flows.
  Annual Report of Institute of Safety Research. Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, Germany, 2004, pp. 21 – 26
• Burns, A. D.; Frank, T.; Hamill, I.; Shi, J.-M.
  The Favre Averaged Drag Model for Turbulent Dispersion in Eulerian Multi-Phase Flows.
  5^th International Conference on Multiphase Flow, ICMF 04, JSME, ASME, 30.05.-04.06.04, Yokohama, Japan, paper No. 392

Danksagung

Die Arbeiten wurden und werden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit unter den Projektnummern 150 1215, 150 1265 und  150 1329 gefördert.

Kooperation

• strategische Partnerschaft mit ANSYS Germany, Otterfing