Browsing by Author "Gabriel, Stephan Gerhard"

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Experimentelle Untersuchung der Tropfenabscheidung einer horizontalen, entgegengerichteten Wasser/Luft-Schichtenströmung
(2014) Gabriel, Stephan Gerhard; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing. habil.)
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.