Browsing by Author "Stäbler, Thomas Daniel"

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Experimentelle Untersuchung und physikalische Beschreibung der Schichtenströmung in horizontalen Kanälen
(2007) Stäbler, Thomas Daniel; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen einem Flüssigkeitsfilm und einer turbulenten Gasströmung ist in vielen technischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit wurden erstmalig die lokalen kinematischen und turbulenten, zeitlich gemittelten Strömungsgrößen in gegengerichteten Wasser-Luft-Schichtenströmungen mit und ohne Strömungsumkehr vermessen. Dabei kam das laseroptische Messverfahren der Particle Image Velocimetry zum Einsatz. Die flüssige Phase konnte durch Anwendung fluoreszierender Partikel in Kombination mit einem optischen Filter bis zur freien Oberfläche vermessen werden. Zusätzlich wurde die gasförmige Phase in Bereichen über dem Flüssigkeitsfilm mit konventionellen Partikeln unter Auswertung der Streulichtsignale vermessen. Die Verteilung des lokalen Gasvolumenanteils über der Kanalhöhe wurde mit einer eigens entwickelten Widerstandssonde experimentell bestimmt. Darüber hinaus wurden Wasserlieferungsraten und Druckverluste entlang des Strömungspfades über einen weiten Parameterbereich ermittelt. Die untersuchten Strömungen beinhalten fließende und schießende Strömungen. Sowohl die lokalen als auch die zusätzlich durchgeführten integralen Messungen liefern neue Erkenntnisse über einen sich einstellenden Hystereseeffekt nach Eintreten der Strömungsumkehr. Anhand der Erkenntnisse aus den experimentellen Daten wurde ein statistisches Modell hergeleitet und validiert. In der zugrunde liegenden Modellvorstellung wird die Flüssigkeit als eine Ansammlung von Partikeln angesehen, die untereinander wechselwirken. Die statistische Betrachtung der Wechselwirkungsvorgänge liefert eine Differentialgleichung zur Bestimmung des lokalen Gasvolumenanteils anhand der turbulenten kinetischen Energie der flüssigen Phase. Diese Differentialgleichung kann direkt zur numerischen Modellierung der Phasenwechselwirkungen verwendet werden. Die turbulenten Schwankungen des lokalen Gasvolumenanteils können mit einem zweiten, ebenfalls statistischen Ansatz repräsentiert werden. Für die statistische Beschreibung liegen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen vor, die in dieser Arbeit durch empirisch ermittelte Parameter von Beta-Funktionen beschrieben werden. Als Ergebnis dieser Arbeit stehen der numerischen Berechnung horizontaler gegengerichteter Schichtenströmungen somit alle notwendigen Daten zur Modellentwicklung und Validierung zur Verfügung.