Entwicklung eines Modells zur Grobstruktursimulation der Gas-Flüssigkeits-Strömung auf Querstromböden mit Hochleistungsventilen


Entwicklung eines Modells zur Grobstruktursimulation der Gas-Flüssigkeits-Strömung auf Querstromböden mit Hochleistungsventilen

Wiedemann, P.; Schubert, M.; Schleicher, E.; Hampel, U.

Motivation und Ziel
Trennkolonnen zur Separation von Mehrkomponentenströmen finden vielfältigen Einsatz in der chemischen Industrie. Für den Betrieb solcher Apparate ergeben sich im Zusammenhang mit der zunehmenden Energiebereitstellung aus erneuerbaren Quellen wachsende Anforderungen im Hinblick auf eine flexible Fahrweise. Vor allem vergrößerte Über- und Unterlastbereiche, in denen dennoch eine hohe Trenneffizienz gewährleistet werden soll, stellen für die Auslegung eine Herausforderung dar. Insbesondere für Querstromböden mit sogenannten Fixed- und Push-Valves mangelt es bislang an verlässlichen Methoden, um den Einfluss des Bodendesigns auf die komplexe Zweiphasenströmung von Flüssigkeit und Dampf abzuschätzen.
Im Rahmen eines AiF-Forschungsvorhabens verfolgt das hier vorgestellte Teilprojekt das Ziel, ein Simulationsmodell bereitzustellen, mit welchem die Einflüsse von Ventilart, -anzahl und -anordnung sowie verschiedener Betriebsbedingungen auf die makroskopische Strömungsausbildung auf dem Querstromboden untersucht werden können.

Strategie und Methoden
Ausgangspunkt für die Modellentwicklung bildet zunächst die Simulation der Strömung am Einzelventil unter Nutzung des am HZDR entwickelten Mehrfeld-Zweifluid-Konzeptes (GENTOP, vgl. [1]). Hiermit werden sowohl großräumig separierte als auch disperse Phasenverteilungen sowie Übergänge zwischen diesen Strömungsmorphologien erfasst. Nach einer Validierung mit experimentell ermittelten Vergleichsdaten dienen die für vielfältige Betriebsbedingungen vorliegenden Simulationsergebnisse als Basis für die Ableitung von Feinstrukturmodellen für einen grobskaligen Modellierungsansatz. Für letzteren wird ein Euler-Euler-Modell favorisiert, in welchem die Effekte der nicht aufgelösten Phaseninteraktion über pragmatische Schließungsgleichungen integriert werden und die Abbildung der Ventile mittels punktartiger Massen- und Impulsquellen realisiert werden kann. Zur Validierung dieses Modells werden zunächst Simulationen für einzelne Ventile und Ventilgruppen durchgeführt und diese mit experimentellen Daten verglichen. Dazu wird ein Versuchsstand aufgebaut, an dem die Zweiphasenströmung an Einzelventilen oder Ventilgruppen unter definierten Betriebsbedingungen untersucht werden kann. Hierbei ist u. a. der Einsatz bildgebender Messverfahren geplant, um detaillierte Informationen über die Strömungsfelder und -regime zu erhalten. Um die Eignung des Grobstukturmodells zu demonstrieren, sind abschließend Vergleiche mit Experimentaldaten einer Versuchsanlage im industriellen Maßstab geplant.

Literatur
[1] Hänsch, S.; Lucas, D.; Krepper, E.; Höhne, T.: A multi-field two-fluid concept for transitions between different scales of interfacial structures. International Journal of Multiphase Flow 47 (2012) 171-182

  • Poster
    Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Computational Fluid Dynamics und Gasreinigung, 10.-11.03.2020, Bamberg, Deutschland

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-30751
Publ.-Id: 30751