Experimentelle Untersuchung der Tropfenabscheidung einer horizontalen, entgegengerichteten Wasser/Luft-Schichtenströmung

Abstract

Entgegengerichtete und geschichtete Zweiphasenströmungen aus einem Gas und einer Flüssigkeit treten in verschiedenen verfahrenstechnischen Anlagen und auch in Störfallszenarien von Leichtwasserreaktoren auf. Die Prognose dieser Strömungen stellt bis heute eine Herausforderung dar. Ein neuer Ansatz mit Hilfe von CFD-Methoden (Computer Fluid Dynamics) verspricht eine detailliertere Beschreibung der auftretenden Strömungsphänomene bei gleichzeitig verbesserter Skalierbarkeit. Zur Validierung der erforderlichen Turbulenz- und Phasenwechselwirkungsmodelle werden jedoch hoch aufgelöste experimentelle Daten dieser dreidimensionalen, instationären und turbulenten Strömungen benötigt. Das vorrangige Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die benötigten Messdaten für die Modellentwicklung und Validierung von CFD-Modellen entgegengerichteter Zweiphasenströmungen mit Tropfenablösung bereitzustellen. Die notwendigen Versuche wurden an der WENKA-Anlage des Karlsruher Instituts für Technologie1 (KIT) durchgeführt. Die Arbeit beinhaltet eine ausführliche Beschreibung der Anlage mit einem neuen Knickkanal und der Messtechnik sowie die Ergebnisse der Untersuchungen. Zur Charakterisierung des neuen Kanals wurde zunächst eine dimensionsbehaftete Strömungskarte erstellt und eine Hochgeschwindigkeitsstudie zur Phänomenologie durchgeführt. Die Geschwindigkeitsverteilung und die Geschwindigkeitsfluktuationen wurden mit Particle Image Velocimetry (PIV) gemessen. Bei den Messungen in der Flüssigphase wurde dabei auf fluoreszierende Tracerpartikel (FPIV) zurückgegriffen, um optische Effekte an den Phasengrenzflächen der Strömung auszublenden. Die Messungen in der Gasphase wurden mit konventionellem Aufbau durchgeführt. Für die Messung der Phasenverteilung konnte das neue optische Messverfahren OVM entwickelt und angewendet werden. Die Validierung dieses Messverfahrens geschah anhand simultaner Vergleichsmessungen mit einer Kontaktsonde. Für die Untersuchung der Tropfenmassenstromdichte konnte eine Nulldrucksonde entwickelt und verwendet werden. Die Funktionsfähigkeit der Sonde und die Einhaltung isokinetischer Strömungsbedingungen an der Messstelle konnten in einphasiger Strömung anhand von PIV-Messungen demonstriert werden. Die Untersuchungen umfassen sowohl schießende als auch fließende, teilweise sowie vollständig umgekehrte Strömungszustände. Die Zweiphasenströmung wurde bei 31 verschiedenen Volumenstromkombinationen Luft/Wasser und an vier unterschiedlichen Messpositionen eingehend untersucht. Bilddaten und Messergebnisse zeigen ein detailliertes Bild der ablaufenden Phänomene im Strömungskanal. Damit steht nun ein umfangreicher Datensatz für die Entwicklung und Validierung von CFD-Modellen zur Verfügung.

A stratified counter-current two-phase gas/liquid flow can occur in various technical systems. In the past investigations have mainly been motivated by the possible occurrence of these flows in accident scenarios of nuclear light water-reactors and in numerous applications in process engineering. However, the precise forecast of flow parameters, is still challenging, for instance due to their strong dependency on the geometric boundary conditions. A new approach which uses CFD methods (Computational Fluid Dynamics) promises a better understanding of the flow phenomena and simultaneously a higher scalability of the findings. RANS methods (Reynolds Averaged Navier Stokes) are preferred in order to compute industrial processes and geometries. A very deep understanding of the flow behavior and equation systems based on real physics are necessary preconditions to develop the equation system for a reliable RANS approach with predictive power. Therefore, local highly resolved, experimental data is needed in order to provide and validate the required turbulence and phase interaction models. The central objective of this work is to provide the data needed for the code development for these unsteady, turbulent and three-dimensional flows. Experiments were carried out at the WENKA facility (Water Entrainment Channel Karlsruhe) at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). The work consists of a detailed description of the test-facility including a new bended channel, the measurement techniques and the experimental results. The characterization of the new channel was done by flow maps. A high-speed imaging study gives an impression of the occurring flow regimes, and different flow phenomena like droplet separation. The velocity distributions as well as various turbulence values were investigated by particle image velocimetry (PIV). In the liquid phase fluorescent tracer-particles were used to suppress optical reflections from the phase surface (fluorescent PIV, FPIV). Measurements in the gaseous phase were carried out by conventional oil-droplets as tracer particles. The volumetric phase distribution was investigated by the new OVM method, which was developed within this work. The validation of this method was done by simultaneous measurements of the new method and an electrical conductivity probe in the WENKA channel. Finally, the droplet mass flux was measured by an isokinetic sampling probe, which was also developed within this work. The functional capability of the probe and the accuracy of isokinetic conditions were demonstrated by PIV-measurements under various flow conditions. The investigations include both supercritical and subcritical, stratified flows, with partially and fully reversed conditions. The behavior of both fluids was analyzed at four measurement sites and under 31 different volumetric flux conditions. The results include sequences of images and numerical data, providing an accurate impression of the flow behavior in the channel. This dataset can now be used for the development and validation of new turbulence and phase interaction models for stratified counter-current two-phase flows.