Ultraschnelle 3D-Röntgentomographie zur Untersuchung zweiphasiger Strömungen in porösen Medien

Abstract

Es wurde ein ultraschnelles Röntgen-CT-System entwickelt, welches sowohl zwei-, als auch dreidimensionale Bildgebung auf Basis eines gescannten Elektronenstrahls ermöglicht. Dieser wird hierzu auf ein spezielles durchstrahlbares Röntgentarget fokussiert, um eine schnell bewegte Röntgenquelle nach dem Prinzip der Kegelstrahltomographie zu erzeugen. Die maximale Bildrate liegt bei 10 kHz bei zweidimensionaler Bildgebung, bzw. 1,25 kHz bei dreidimensionaler Bildgebung. In Phantomexperimenten konnte für die gewählte Bildrate von 250 Hz (3D) eine Ortsauflösung von 1,5 mm ermittelt werden. Da die Ortsauflösung von der Bildrate beeinflusst wird, kann diese in weiten Bereichen den Messanforderungen flexibel angepasst werden. Bessere Ortsauflösungen sind für kleinere Bildraten möglich. In Versuchen mit zweiphasig durchströmten monodispersen Kugelschüttungen wurden Geometrie- und Stabilitätskriterien angewendet, um die Strömungsformen Blasen-, Kolbenblasen- und Ringströmung zu detektieren. Hierbei wurde gezeigt, dass die ersten beiden Strömungsformen simultan auftreten, wobei der Gastransport überwiegend über Kolbenblasen erfolgt. Dies ist auf den isothermen Charakter der Luft-Wasser-Strömung im Schüttbett zurückzuführen. Anhand der gewählten Stabilitätskriterien konnte jedoch der Übergang zur stabilen Ringströmung klar eingegrenzt werden. Dabei war es möglich, die in der Literatur vermutete Abhängigkeit des Übergangs vom Partikeldurchmesser nachzuweisen.

An ultrafast x-ray computed tomography system has been devised, which enables two- and three-dimensional imaging using a scanned electron beam. Therefore the electron beam is focused on a specially designed x-ray transparent target to generate a fast moving x-ray source following the cone-beam tomography principles. The maximum frame rate of the system is 10 kHz for two-dimensional scanning and 1,25 kHz for three-dimensional scanning. Phantom experiments proved a spatial resolution of 1.5 mm for the applied 3D frame rate of 250 Hz. As the spatial resolution is influenced by the chosen frame rate, it can be flexibly adjusted to the measurement demands. A higher spatial resolution is achieved for a reduced temporal resolution. Experiments with two-phase flows in debris beds were performed for mono-dispersed beds of spherical particles. For the identification and detection of the flow regimes bubbly, slug and annular flow geometry and stability criteria were defined. It was found that bubbly and slug flow appear simultaneously, whereas the gas transport basically performed via slug flow. This may be caused by the isothermal character of the air water flow. Applying the stability criteria a clear transition into the annular flow regime could be detected. Hence it was possible to validate the dependence of this transition on the particle diameter, as already supposed in literature.