Validierung von CFD Codes für komplexe Strömungen

Das Inhomogene MUSIG-Modell wurde erstmals für eine komplexe Strömung mit einem ausgeprägtem 3D Strömungsfeld validiert. Die Simulationen basieren auf experimentellen Daten einer Zweiphasenströmung in einem vertikalen Rohr DN200, dessen eine Hälfte durch eine axial verschiebliche halbkreisförmige Blende verschlossen ist. Das 3D Strömungsfeld im von der Blende beeinflussten Strömungsfeld wurde mit Hilfe der Gittersensor-Messtechnik bestimmt. Eine neue Datenaufbereitungsmethode wurde entwickelt, wodurch außer der Gasgehaltsverteilung auch das Geschwindigkeitsfeld der Wasserströmung bestimmt wird.

Das vorgestellte Experiment ist ein idealer Testfall zur CFD-Code Validierung, da die Blende ein ausgeprägtes 3D Zweiphasen-Strömungsfeld erzeugt. Gebogene Stromlinien in beträchtlicher Abweichung zum Gravitationsvektor, eine Rezirkulationszone im Nachlauf der Blende sowie Wirbelablösung an den Kanten der Blende sind in industriellen Komponenten und Installationen verbreitet anzutreffen.

Die folgenden Bilder zeigen gemessene und berechnete Ergebnisse zum Test run 096 ((J_L = 1.017 m/s, J_G = 0.0898 m/s). In den Rechnungen wurden 25 Gas Massenfraktionen 2 dispersen Gasphasen zugeordnet.

Bild 1: Vergleich Messung und Rechnung der Wassergeschwindigkeit (links) und der integralen Gasgehaltsverteilung (rechts)

Der Staupunkt vor der Blende, die Rezirkulationszone hinter der Blende sowie der Jet neben der Blende werden in guter Übereinstimmung zum Experiment wiedergegeben (s. Bild 1).

Bild 2: Vergleich Messung (links) und Rechnung (rechts) der querschnittsgemittelten Blasengrößenverteilungen

Während in den Messungen eine leichte Vergrößerung der Blasengrößenverteilung kurz hinter der Blende (Z=0.08 m) zu finden ist, zeigen die Rechnungen eine Verringerung der mittleren Blasengröße.

Bild 3: Gemessene Gasverteilungen abhängig von der Blasengröße

In den Messungen werden hinter der Blende hauptsächlich große Gasblasen nachgewiesen.

Bild 4: Berechnete Stromlinien (lings) und Gasverteilungen (rechts) für die beiden simulierten dispersen Gasphasen

Die Rechnungen zeigen im Nachlauf der Blende hauptsächlich kleine Blasen (s. Bild 4) während in den Jet hauptsächlich große Blasen gelenkt werden. Weitere Details sind z. B. in Krepper et al. 2006 zu finden.

Die generelle Struktur der Strömung um die Blende wird gut simuliert. Dieser Testfall zeigt das komplexe Wechselspiel zwischen größenabhängiger Migration der Blasen und den Koaleszenz und Fragmentationsprozessen für reale Strömungen. Während die Modelle für Blasenkräfte gute Übereinstimmung zu den Experimenten zeigen, treten klare Abweichungen bei Koaleszenz und Fragmentation der Blasen auf. Die Arbeiten werden in diese Richtung fortgesetzt.

Wichtigste Publikationen

• Krepper, E.; Beyer, M.; Frank, T.; Lucas, D.; Prasser, H.-M. 2009. CFD modelling of polydispersed bubbly two phase flow around an obstacle, Nuclear Engineering and Design 239, 2372-2381
• Krepper, E.; Ruyer, P.; Beyer, M.; Lucas, D.; Prasser, H.-M.; Seiler, N. 2008. CFD simulation of polydispersed bubbly two phase flow around an obstacle, Science and Technology of Nuclear Installations 2009(2008), 320738
• Krepper, E.; Beyer, M.; Frank, T.; Lucas, D.; Prasser, H.-M., 2007. Application of a population balance approach for polydispersed bubbly flow, 6^th International Conference on Multiphase Flow, 09.-13.07.2007, Leipzig, Germany, Poster No PS6_6
• Frank, Th., Prasser, H.-M., Beyer, M., Al Issa, S., 2007. Gas-liquid flow around an obstacle in a vertical pipe – CFD simulation & comparison to experimental data. 6^th International Conference on Multiphase Flow, 09.-13.07.2007, Leipzig, Germany, paper S6_Thu_B_50
• Krepper, E., Lucas, D., Prasser, H.-M., Beyer, M., Frank, Th., 2006. CFD simulation of the two phase flow around an obstacle applying an imhomogeneous multiple bubble size class approach, Annual Report of Institute of Safety Research. Forschungszentrum Rossendorf, Germany, 2006, pp.39-45
• Frank, T.; Zwart, P.; Krepper, E.; Prasser, H.-M.; Lucas, D. 2006. 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
• Prasser, H.-M., Frank. T.,Beyer, M., Carl, H., Pietruske, H., Schütz, P. 2005, Gas-liquid flow around an obstacle in a vertical pipe  experiments and CFD simulation, Annual Meeting on Nuclear Technology, Nuremberg
• Prasser, H.-M., Th. Frank, M. Beyer, H. Carl, S. Al-Issa, H. Pietruske, and P. Schütz, 2005, Gas-liquid flow around an obstacle in a vertical pipe - experiment and computational fluid dynamics simulation, Annual Report of Institute of Safety Research. Forschungszentrum Rossendorf, Germany, 2005, pp. 24-30.

Danksagung

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