Gnotke, Oliver (2005)
Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Bestimmung von veränderlichen Blasengrößen und Blasengrößenverteilungen in turbulenten Gas-Flüssigkeits-Strömungen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In der vorliegenden Arbeit wurde eine auf den Populationsbilanzen basierende Momentenmethode entwickelt und experimentell validiert, welche die Berechnung einer veränderlichen Blasengrößenverteilung in turbulenten Gas/Flüssigkeits-Strömungen erlaubt. Dies ist notwendig, um den in verfahrens- und energietechnischen Strömungsapparaten stattfindenden Austausch von Masse, Impuls und Energie an der Phasengrenze zu berechnen. Die Momentenmethode stellt die Lösung der Erhaltungsgleichungen für drei statistische Momente der Anzahldichteverteilungsfunktion dar und hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu den Populationsbilanzen nur ein geringer Rechenaufwand notwendig ist. Als Einschränkung muss dafür eine bestimmte Form der Durchmesserverteilungsfunktion, hier eine Gamma-Verteilung, angenommen werden. Ziel der Untersuchungen ist die experimentelle Quantifizierung der Koaleszenz- und Zerfallsraten in den Momentengleichungen. Gegenstand der Experimente sind adiabate Wasser/Luft-Blasenströmungen unter dem Einfluss von Koaleszenz und Zerfall in Rohren mit 50 und 90 mm Durchmesser und verschiedenen turbulenzerzeugenden Einbauten, wie Gitter und statische Mischer. Die zeitaufgelöste Betrachtung von Koaleszenz- und Zerfallsvorgängen mit Hilfe eines digitalen Hochgeschwindigkeits-Videosystems in Strömungen niedrigen Gasgehalts erlaubte zunächst die Quantifizierung charakteristischer Zeit- und Längenmaße dieser Vorgänge. Als Ergebnisse erhält man kritische Weberzahlen, worüber die Koaleszenz- und Zerfallseffizienz bestimmt werden konnten. Als wichtige Einflussgrößen können in den verwendeten Modellen die Blasengröße, die turbulente Dissipationsrate als charakteristische Turbulenzgröße, Stoffdaten, die Koaleszenzzeit und die Blasendeformation vor dem Zerfall berücksichtigt werden. Die direkte Validierung der Koaleszenz- und Zerfallraten konnte durch die Messung der Entwicklung der Blasengesamtanzahldichte in Strömungen mit bis zu 20 % Gasgehalt durchgeführt werden. Gleichzeitig wurden die Turbulenzgrößen der kontinuierlichen Phase bestimmt. Bei den Messreihen wurden Gas- und Flüssigkeitsleerrohrgeschwindigkeiten variiert und die Randbedingungen bzgl. der Blasengrößenverteilung mittels verschiedener Eindüseröhrchen und Gitter modifiziert. Zur Bestimmung der Turbulenzgrößen der kontinuierlichen Phase in Zweiphasenströmungen wurden X-Heißfilmsonden, zur Ermittlung der Blasendurchmesserverteilungen und des Gasgehalts faseroptische Sensoren eingesetzt. Die Blasendurchmesserverteilungen wurden aus den gemessenen Sehnenlängenverteilungen mit einem neu entwickelten Algorithmus ermittelt. Es zeigt sich, dass die Entwicklung der Gesamtanzahldichte mit den entwickelten Momentengleichungen im Rahmen der Messungenauigkeit wiedergegeben werden kann. Auch die Koaleszenz nach statischen Mischern, welches ein wichtiges technisches Anwendungsgebiet dieser Methode darstellt, kann vorhergesagt werden. Die Turbulenz der kontinuierlichen Phase stellt eine wichtige Einflussgröße auf Koaleszenz, Zerfall und Blasendispersion dar. Insbesondere konnten durch Messung der Turbulenz in der Zweiphasenströmung und der entsprechenden Einphasenströmung Informationen über die blaseninduzierte Turbulenz gewonnen werden. Diese Daten können für die Entwicklung von Zweiphasenturbulenzmodellen genutzt werden. Als Randbedingung für die Anwendung der Momentengleichungen ist die Kenntnis einer Primärblasengröße notwendig, also die an der Eindüsung entstehende Größe der Blasen. Der Mechanismus der Blasenbildung wurde an Düsen mit Flüssigkeit im Gleich- und Querstrom betrachtet. Durch digitale Bildverarbeitung wurden die Primärblasengrößen bestimmt und hierüber eine Berechnungsvorschrift überprüft, welche die Blasengrößen im Bereich des Blasengasens und im Übergangsbereich zum Strahlgasen mit ausreichender Genauigkeit vorhersagen kann. Verschiedene Anwendungsbeispiele und Potentiale der Momentenmethode werden diskutiert: Implementierung in numerische Strömungsberechnungsprogramme (CFD) am Beispiel Strahlgasen und Blasenaufstieg, Berücksichtigung von koaleszenzhemmenden Substanzen und Nutzung einer analytischen Lösung der Momentengleichung zur schnellen Blasengrößenberechnung.

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