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Dr. Thomas Ziegenhein
Computational Fluid Dynamics
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Hendrik Heßenkemper
Computational Fluid Dynamics
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Experimente für die Entwicklung und Validierung von Schließungsmodellen

Motivation

Blasenströmungen finden eine breite Anwendung, im Speziellen in der Verfahrenstechnik und Energietechnik. Für die Auslegung und Entwicklung neuer Prozesse gewinnen Simulationswerkzeuge immer mehr an Bedeutung. Hier sind CFD Simulationen mit dem sogenannten Two-Fluid Ansatz die Vielversprechendsten um ganze Anlagen, Reaktoren oder Einheiten zu simulieren. Bei diesem Ansatz werden jedoch Schließungsmodelle benötigt, die die Interaktion zwischen der Kontinuierlichen und dispersen Phase beschreiben. Diese Schließungsmodelle sind durch die Komplexität von Blasenströmungen sehr vielfältig so dass für jedes einzelne Phänomen einzelne Modelle formuliert werden müssen. Zur Validierung solcher Modelle sind Experimente wichtig, die soweit möglich alle relevanten Effekte durch geeignete Messgrößen beschreiben. Solche umfangreichen Datensätze sind jedoch in der Literatur kaum verfügbar, sodass die Abteilung eigene 'CFD-grade' Experimente durchführt. Hier werden neue Konzepte zur Messung von Blasengrößenverteilungen, Blasengeschwindigkeit und Flüssigkeitsgeschwindigkeit entwickelt. Die Bestimmung der zeitlich und örtlich aufgelösten Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist dabei besonders problematisch. Hier können Stichprobenverzerrungen durch die Wechselwirkung der dispersen Messtechnik und der Messgröße entstehen. In diesem Zusammenhang wurde bereits eine noch nicht beschriebene Stichprobenverzerrung beschrieben und ein Verfahren entwickelt diese zu umgehen. Neben der reinen Validierung von Modellen steht auch die Modellentwicklung im Fokus. Hier im Besonderen die Liftkraft welche bis jetzt nur in vereinfachten Bedingungen - laminare Strömung und hohe Morton Zahlen - bestimmt wurde. Hier gelang es erstmalig durch ein neues Messkonzept diese auch in turbulenten Strömungen und niedrigen Morton Zahlen quantitativ zu bestimmen.

Methoden

Particle Tracking Velocimetry (PTV)

Particle Tracking Velocimetry (PTV) Methoden mit 200-400W LED Hintergrundbeleuchtung werden durch den einfachen experimentellen Aufbau standardmäßig im Fachgebiet eingesetzt. Neben dem simplen Aufbau im Vergleich zu konventionellen Lichtschnittsystemen ist eine Hintergrundbeleuchtung sehr viel robuster gegenüber ungewollten Reflektionen an der Blasenoberfläche. Lichtschnitte werden durch die Reflexionen an der Oberfläche aufgefächert womit das Verfahren in dichten Blasenströmungen unbrauchbar wird. Um bei einer Hintergrundbeleuchtung eine definierte Messebene zu erhalten wird mit einer geringen Schärfentiefe gearbeitet und unscharfe Objekte im postprocessing herausgefiltert. Typische Werte für die Schärfentiefe sind 0.1 - 5 mm mit 10 - 50 µm Tracerpartikel abhängig von der Strömung. Wenn möglich, werden natürlich auftretende Mikroblasen als Tracerpartikel benutzt um die Strömung nicht zu kontaminieren. Im Allgemeinen sind jedoch verlässliche Messungen in Mehrphasenströmungen mit einer dispersen Phase anspruchsvoll, deshalb entwickelt die Abteilung im Besonderen neue Methoden für die Partikel-Erkennung, PTV nah am Interface sowie neue Tracking Methoden.



Particle Image Velocimetry

Als weitere Technik wird die Particle Image Velocimetry (PIV) Methode mit Hintergrundbeleuchtung für Mehrphasenströmungen in der Abteilung entwickelt. Die Experimente sind Vergleichbar zur den PTV Experimenten, erlauben jedoch eine wesentlich höhere Partikeldichte um kleinste Skalen zu identifizieren. Die etablierten Methoden für einphasige Strömungen werden erweitert um sogenannte Multipass-Verfahren und Deformationen der Interrogation Fenster für Mehrphasenströmungen. Weiter wird mit mehreren aufeinanderfolgenden Aufnahmen und unter Berücksichtigung der lokalen Geschwindigkeits-Historie die Genauigkeit der Messungen in Mehrphasenströmungen verbessert.



Pattern Recognition

Pattern Recognition Methoden sind die Basis um die verschiedenen Gas und Flüssigkeitsphasen in einem Bild zu unterscheiden. Für die korrekte Erkennung ist die Rekonstruktion von partiell nicht sichtbaren, überlappenden, Strukturen wichtig. Als erster Schritt werden hier die Strukturen segmentiert, eventuell rekombiniert und anschließend die überdeckte Form geeignet rekonstruiert. Bei sehr hohen Anteilen der dispersen Phase oder mit komplizierten Grenzflächen sind die Methoden bis jetzt noch nicht ausgereift für eine fehlerfreie, automatische Erkennung. Hier werden in der Abteilung Möglichkeiten untersucht, die automatischen Methoden mit interaktiven Benutzeroberflächen zu kombinieren.



Pattern Tracking

Die Untersuchung der Translation der Phasengrenzfläche ist essentiell um komplexe Blasenströmungen und Schwarmeffekte besser zu verstehen. In Verbindung mit den Pattern Recognition Methoden werden einzelne Grenzflächen erkannt und über mehrere Bilder verfolgt. Hier werden die Prinzipien der Machine Vision und des Machine Learninings angewandt, insbesondere müssen bestimmte Normen sorgfältig definiert werden, was ein Teil der laufenden Forschung ist.



Experiment: Stabilität von Blasensäulen

Die Rolle der sogenannte Liftkraft ist entscheidend um die Regime-Wechsel in Blasenströmungen zu verstehen. Diese Kraft wirkt überwiegend horizontal in den Schwerkraft ausgerichtete Reaktoren. Das Vorzeichen der Kraft kann in bestimmten Strömungszuständen wechseln, insbesondere durch wachsen oder schrumpfen der Blasen. In Blasensäulen wandern Blasen mit positivem Vorzeichen zur Wand, insbesondere tendieren sie Geschwindigkeitsspitzen zu meiden und umgedreht. Um diese Aufteilung der Blasen nach Größe zu studieren, wurde eine Blasensäulen mit hohem Seitenverhältnis und variablem Gasverteiler aufgebaut. Das hohe Seitenverhältnis erreicht die Strömung einen quasi stationären Zustand, durch den variablen Gasverteiler kann ein Mix aus kleinen und großen Blasen eingestellt werden. Kleinere Blasen wirken dabei stabilisierend auf die Strömung was das homogene Regime begünstigt, große Blasen wirken destabilisierend und begünstigen eine inhomogene Strömung.



Experiment: Blasenform

Die Blasenform ist eine der wichtigsten Parameter um Blasenströmungen korrekt zu modellieren. Die Grenzflächen werden normalerweise stark verformt so dass die Blasenform von dem umgebenen Strömungsfeld abhängt. Da bisherige Arbeiten bis jetzt nur Einzelblasenexperimente in ruhenden Strömungen im Fokus hatten, ist die Auswirkung eines turbulenten Strömungsfeldes auf die Blasenform bisher unbekannt. In diesem Zusammenhang wird die Blasenform bei sich verändernden Strömungszuständen, insbesondere der Änderung des Gasvolumenstroms, Gasverteilersysteme sowie Reaktorgeometrie, untersucht. Dieser integrale Ansatz wurde für sechs verschiedene Blasensäulenexperimente angewandt und die Blasenform untersucht. Erste Resultate deuten darauf hin, dass kleinere Blasen stark von den Strömungszuständen beeinflusst werden, große Blasen jedoch wenig bis gar nicht beeinflusst werden. Über alle Zustände gemittelt ähneln sich die Ergebnisse für alle sechs Experimente, sodass ein universeller Zusammenhang nahe liegt. Spätere Experimente haben den Fokus auf die lokalen Strömungsbedingungen wie Scherrate und Turbulenz um die sensitiven Parameter zu identifizieren und die zugrundeliegenden Prozesse besser zu verstehen.



Experiment: Lift Kraft in turbulenten Strömungen

Die Bestimmung der Liftkraft auf Blasen in Scherfelder ist durch die enge Kopplung von Gas und Flüssigphase nicht einfach. Bis heute existiert nur ein Messkonzept das mit untergautauchten Riemenantriebe arbeitet und nur für laminare, hochviskose Bedingungen geeignet ist. Der Riemenantrieb bewegt dabei das Fluid im Kreis und produziert dadurch eine Scherströmung zwischen Wand und Antrieb. Mit diesen Experimenten konnte erstmalig gezeigt werden, dass sich die Liftkraft ab einer bestimmten Blasengröße umkehrt, was zu der bis heute benutzten empirischen Liftkraft Korrelation führte. Die Bedingungen in realen Reaktoren sind aber im Allgemeinen turbulent und niedrigviskos was die Frage aufwirft ob die gefundene Korrelation darauf anwendbar ist. Für diese Bedingungen wurde ein Messkonzept entwickelt, was es erlaubt die Lift Kraft in beliebig niedrigviskosen Systemen zu untersuchen.



Referenzen

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    Dissertation, TU-Berlin.
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    Closure relations for CFD simulation of bubble columns.
    8th International Conference on Multiphase Flow , ICMF 2013, Jeju, Korea, May 26 - 31, 2013
  • D. Lucas, E. Krepper, H.-M. Prasser, A. Manera
    Stability effect of the lateral lift force in bubbly flows.
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    Chemical Engineering & Technology 29 (2006) 1066 - 1072
  • D. Lucas, H.-M. Prasser, A. Manera
    Linear stability analysis for the effect of the lift force in a bubble column.
    7th German/Japanese Symposium on Bubble Columns, GVC, 20.-23.05.2006, Goslar, Deutschland
  • D. Lucas, H.-M. Prasser, A. Manera
    Influence of the lift force on the stability of a bubble column.
    Chemical Engineering Science 60(2005)3609-3619
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    Investigations on the stability of a bubble column.
    Annual Report 2004, Institute of Safety Research, HZDR-420, Rossendorf, March 2005, S. 1-6

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