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Dr. Dirk Lucas

Lei­ter Computational Fluid Dynamics
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Dr. Thomas Höhne

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GENeralized TwO-Phase flow concept – GENTOP

Die numerische Simulation von Mehrphasenströmungen in industriellen Prozessen erfordert das Erfassen von unterschiedlichsten Strömungsregimen. Das Skalenspektrum reicht von homogen-dispersen Blasensäulen der Verfahrenstechnik bis hin zu stark separierten Gasstrukturen beim Fluidtransport in Rohrleitungen. Zur effizienten Modellierung solcher großer Systeme hat sich die Euler-Euler Methode durchgesetzt, welche die Verwendung gröberer Gitter ermöglicht. Eine große Zahl an Schließungsmodellen wurde bereits entwickelt, um spezielle Strömungsregimes zu beschreiben. In vielen praktischen Strömungsanwendungen treten jedoch separierte sowie polydisperse Strömungsbereiche nebeneinander auf, welche in enger Wechselwirkung zueinander stehen (siehe Abb. 1). So kann aus einer streng separierten Wasseroberfläche durch Auftreffen eines Flüssigkeitsstrahls kontinuierliches Gas mitgerissen werden und in viele verschiedene Blasengrößen zerfallen. Aus einer dispersen Blasenströmung im Rohr können sich hingegen durch Koaleszenz kontinuierliche Taylor-Blasen entwickeln. Hierbei spricht man von mehrskaligen Strömungsproblemen bezüglich der auftretenden Grenzflächenstrukturen. Sie spielen eine wesentliche Rolle in vielen verfahrenstechnischen Anwendungen, in denen hohe Gasvolumendurchsätze zur Ausbildung heterogener Blasenströmungen führen. Für die Beschreibung solcher komplexer Übergänge wurde das GENTOP Konzept entwickelt.

GENTOP ist die Verbindung des AIAD-Modells mit dem inhomogenen MUltiple SIze Group (iMUSIG)-Modell durch Hinzufügen einer kontinuierlichen Gasphase, deren Phasengrenze im Rechengitter aufgelöst werden soll. Durch Einbinden geeigneter Modelle sind somit Übergänge zwischen polydispersen und kontinuierlichen Gasphasen möglich, einschließlich dem möglichen Erscheinen und Verschwinden einer Phase. Beispielsimulationen demonstrieren das Prinzip des neuen Konzepts mittels des CFD-Codes ANSYS CFX.

Mehrskalige Strömungsprobleme
Abb. 1: Mehrskalige Strömungsprobleme bezüglich auftretender Grenzflächenstrukturen.
Vergleich experimenteller und numerischer Ergebnisse für die ersten Sekunden nach dem Aufprall des flüssigen Jets auf der freien Oberfläche
Abb. 2: Vergleich experimenteller und numerischer Ergebnisse für die ersten Sekunden nach dem Aufprall des flüssigen Jets auf der freien Oberfläche.
Blasengrößenverteilung nach Erreichen eines quasistationären Zustands der Simulation
Abb. 3: Blasengrößenverteilung nach Erreichen eines quasistationären Zustands der Simulation.

Die Simulation zum Blasenmitriss beim Auftreffen eines Wasserstrahls auf eine freie Oberfläche soll den Zerfall der kontinuierlichen Gasphase sowie den Massentransfer zur polydispersen Gasphase demonstrieren. Nachdem der flüssige Strahl aufgetroffen ist, wird Gasmasse aus der freien Oberfläche in die verschiedenen Blasengrößengruppen transportiert, welche dann eine charakteristische Blasentraube ausbilden. Der gesamte Vorgang des Aufpralls, Eindringens und dem nachfolgenden Wiederaufstieg mitgerissener Gasblasen kann mit dem neuen Ansatz wiedergegeben werden und ist in der Bildersequenz von Abb. 2 dargestellt. Die Blasengrößenverteilung innerhalb der dispersen Blasentraube in Abb. 3 stimmt mit experimentellen Daten überein.

Weiterhin wird an einer Verknüpfung des GENTOP Konzeptes mit Phasenübergängen gearbeitet (Abb. 4). Erste Arbeiten zeigen den Einsatz eines Wandsiedemodells in Verbindung mit GENTOP. Die kleinen Siedeblasen an der Wand verbinden sich zu größeren Strukturen im Zentrum des vertikalen Rohres (Abb. 5).

GENTOP Boiling Scheme
Abb. 4: GENTOP Konzept mit Phasenübergängen
GENTOP WALL BOILING Example
Abb. 5: Beispielfall GENTOP Wandsieden (GasD disperse Gasphase, GasC kontiniuerliche Gasphase)
BMWi

Danksagung

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojektes 150 1411 vom BMWi gefördert.

Literatur