Aufsiedende Strömungen

Flash-Sieden ist eine Art von Phasenübergang von Flüssigkeit zu Dampf durch Druckentlastung, die eine fundamentale und entscheidende Präsenz in vielen industriellen und technischen Anwendungen hat. Zum Beispiel kann es bei der Strömung durch divergierende Düsen, Ablassventile oder Risse an Druckbehältern oder  in natürlichen Kreislaufkühlsystemen auftreten.

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Seit Mitte des letzten Jahrhunderts gibt es viele theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Thema Flash-Siedeströmungen wegen der großen Bedeutung der nuklearen Sicherheit. Bisher werden eindimensionale Ansätze oder Systemcodes routinemäßig angewendet, um mit solchen Strömungskonfigurationen umzugehen. Allerdings hat die flash-siedende Zweiphasenmischung eine stark dreidimensionale Eigenschaft, die von großen heterogenen gasförmigen Strukturen und hohen Gasvolumenanteilen gekennzeichnet. Alle diese Besonderheiten zusammen mit den mikroskaligen Blasendynamikprozessen erfordern ein anspruchsvolleres Vorhersagewerkzeug mit hoher Zeit- und Raumauflösung wie zum Beispiel CFD. Ermutigende CFD-Untersuchungen über Flash-Siedeströmungen wurden kürzlich veröffentlicht. Allerdings basieren sie alle auf dem Rahmen eines vereinfachten Zwei-Fluid-Modells für die Blasenströmungen. Hier ist eine große Herausforderung, die Blasendynamik wie Keimbildung, Wachstum, Koaleszenz und Zerfall über zuverlässige Schließungsmodelle nachzubilden.

Obwohl die Wandkeimbildung dominant ist, wird gezeigt, dass die Bulkkeimbildung in vielen praktischen Systemen aufgrund der Präsenz von Verunreinigungen oder gelösten Gasen nicht vernachlässigbar ist.

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Die Flash-Verdampfung vom Wasser in einem großen senkrechten Rohr unter Druckentlastung wird mit dem iMUSIG-Ansatz  simuliert. Die zeitliche Entwicklung der Blasengrößenverteilung wird erfolgreich reproduziert, was einen zuverlässigen Sauter-Mittelblasendurchmesser für die Berechnung von Grenzflächenaustauschraten gewährleistet.

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Die Modelle wurden für die Untersuchung von siedenden Strömungen in großen Volumina in Kernreaktoren  angewendet.

Ausgewählte Publikationen

• Liao, Y.; Lucas, D.
  Possibilities and limitations of CFD simulation for flashing flow scenarios in nuclear application.
  Energies 2017, 10, 139; doi:10.3390/en10010139
• Liao, Y.; Lucas, D.
  Computational modelling of flash boiling flows: A literature survey.
  International Journal of Heat and Mass Transfer, 111, 246-265
• Janet, J.;  Liao, Y.;  Lucas, D.
  Heterogeneous nucleation in CFD simulation of flashing flows in converging-diverging nozzles.
  International Journal of Multiphase Flow, 74, 106–117 
• Liao, Y.;  Lucas, D.
  3D CFD simulation of flashing flows in a converging-diverging nozzle.
  Nucl. Eng. Des., 292, 149-163 
• Liao, Y. et al
  Interfacial heat transfer models for flashing flows: a review.
  13th international conference Multiphase Flow in Industrial Plant, Sept.17-19, Genova, Italy
• Liao, Y.; et al.
  Assessment of CFD predictive capacity for flash boiling.
  CFD4NRS-5, Zurich, Switzerland, Sept. 09 -11, 2014
• Liao, Y., et al.
  Flashing evaporation under different pressure levels.
  Nucl. Eng. Des. 265, 801-813
• Liao, Y.; et al.
  CFD simulation of flashing boiling flow in the containment cooling condenser system of KERENA reactor.
  21st International Conference on Nuclear Engineering, ICONE21, Chengdu, China, July 29 - Aug. 02, 2013  
• Liao, Y.; et al.
  CFD simulation of water evaporation under pressure release transients.
  15th International Topical on Nuclear Reactor Thermalhydraulics, NURETH15, Pisa, Italy, May 12 -17, 2013