Experimentelle Untersuchung und physikalische Beschreibung der Schichtenströmung in horizontalen Kanälen

Abstract

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.

The interaction between a liquid film and turbulent gas flows plays an important role in many technical applications (e.g. in hydraulic engineering, process engineering and nuclear engineering). The local kinematic and turbulent time-averaged flow quantities for counter-current stratified flows (supercritical and subcritical flows with and without flow reversal) have been measured for the first time. Therefore, the method of Particle Image Velocimetry was applied. By using fluorescent particles in combination with an optical filter it was possible to determine the flow quantities of the liquid phase up to the free surface. Additionally, the gaseous phase was investigated by using the scattering of light of conventional particles. With a further measurement technique the void fraction distribution along the channel height has been determined. For this purpose, a single-tip conductivity probe was developed. Furthermore, water delivery rates and pressure losses along the test section were measured over a wide range of parameters. The measurements also revealed new details on the hysteresis effect after the occurrence of flow reversal.

The experimental findings were used to develop and validate a statistical model in which the liquid phase is considered to be an agglomeration of interacting particles. The statistical consideration of the particle interactions delivers a differential equation which can be used to predict the local void fraction distribution with the local turbulent kinematic energies of the liquid phase. Beyond that, an additional statistical description is presented in which the probability density functions of the local void fraction are described by beta-functions. Both theoretical approaches can be used for numerical modelling whereas the statistical model can be used to describe the phase interactions and the statistical description to describe the turbulent fluctuations of the local void fraction. Thus, this work has made available all necessary data which are needed to develop and validate models of horizontal counter-current stratified flows.