Statistische Modellierung einer geschichteten Zweiphasenströmung (KIT Scientific Reports ; 7705)

Ein neuer Modellierungsansatz für die Simulation geschichteter Zweiphasenströmungen wird vorgestellt. Eine einfache Möglichkeit das Zusammenspiel von Turbulenz und Oberflächenwellen zu modellieren, bietet der Zweischichten-Turbulenzansatz. Die Wellenamplitude ist dabei als turbulentes Längenmaß für den Wellenbereich gewählt worden. Sie lässt sich dabei aus statistischen Gleichgewicht zwischen turbulenter kinetischer, turbulenter potentieller und turbulenter Oberflächenenergie berechnen

Aufbau und Durchführung von Experimenten an der Mehrzweck-Thermohydraulikversuchsanlage TOPFLOW für generische Untersuchungen von Zweiphasenströmungen und die Weiterentwicklung und Validierung von CFD-Codes - Abschlussbericht

Ziel der Arbeiten war die Weiterentwicklung und Validierung von Modellen in CFD-Codes. Hierzu wurde am FZD die thermohydraulische Versuchsanlage TOPFLOW aufgebaut und mit räumlich und zeitlich hochauflösenden Gittersensoren ausgestattet. Vertikale Teststrecken mit Nenndurchmessern von DN50 bzw. DN200 für Luft/Wasser- sowie Dampf/Wasser-Strömungen lieferten Ergebnisse zur Entwicklung von Strömungsformen, zum Verhalten der Zwischenphasengrenzfläche sowie zum Wärme- und Impulsaustausch zwischen den Phasen. Die Validierung des CFD-Codes in komplexen Geometrien erfolgte anhand von 3D Gasgehalts- und Geschwindigkeitsfeldern, die bei Umströmung eines asymmetrischen Hindernisses auftreten, das in der Teststrecke DN200 eingebaut war. Im Hinblick auf Strömungen mit freier Oberfläche untersuchte das FZD in zwei horizontalen Acrylglas-Kanälen geschichtete Zweiphasenströmungen im Gleich- bzw. Gegenstrom sowie Schwallströmungen. Bei den Nachrechnungen dieser Versuche gelang die Simulation der Schwallentstehung. Entsprechend des Projektziels wurden die experimentellen Ergebnisse zur Modellentwicklung genutzt. Bei vertikalen Strömungen stand die Wirkung der lateralen Blasenkräfte (z.B. Liftkraft) im Vordergrund. Zum Test unterschiedlicher Modellansätze wurde hierzu ein Mehrblasenklassen-Testsolver entwickelt und genutzt. Darauf aufbauend wurde ein neues Konzept für ein Mehrblasenklassenmodell, das Inhomogene MUSIG Modell erarbeitet und in den kommerziellen CFD Code CFX (ANSYS) implementiert. Bei Validierungsrechnungen zeigte sich, dass vor allem die Blasenkoaleszenz- und -zerfallsmodelle weiter optimiert werden müssen. Untersuchungen zu Einzeleffekten, wie z.B. die Abschätzung von Turbulenzkoeffizienten und die Analyse der Trajektoren von Einzelblasen in unmittelbarer Wandnähe, lieferten weitere wichtige Ergebnisse des Projekts

Experimentelle Untersuchung von geschichteten Luft/Wasser Strömungen in einem horizontalen Kanal

Für die Untersuchung von Luft/Wasser-Strömungen wurde ein horizontaler Acrylglas-Kanal mit rechteckigem Querschnitt gebaut. Der Kanal ermöglicht Gleich- und Gegenstrom-Versuche bei Atmosphärendruck, insbesondere die Untersuchung der Schwallströmung. Es wurden optische Messungen mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera durchgeführt, die durch synchronisierte dynamische Druckmessungen ergänzt wurden. Für die Analyse der Bilder wurde eine Methode zur Erfassung der Phasengrenze entwickelt und diese anhand möglicher Anwendungen getestet. Die Druckmessungen zeigten, dass der Druck bei Schwallströmungen um einige Kilopascal ansteigt und wieder abfällt, sobald der Schwall aus dem Kanal austritt. Zudem wurden Geschwindigkeiten in der flüssigen Phase mittels nicht invasiver Verfahren gemessen. Das durchschnittliche Geschwindigkeits-Profil am Kanaleintritt wurde mit Ultraschall-Köpfen bestimmt. Die Ermittlung des Geschwindigkeitsfeldes in einem Schwall erfolgte mit PIV (Particle Image Velocimetry)

Modellierung der Turbulenzmodulation einer hochbeladenen reaktiven Zweiphasenströmung am Beispiel des Zementherstellungsprozesses

In der vorgelegten Arbeit wurde untersucht, mit welchen Modellen der numerischen Strömungssimulation (CFD) die Beschreibung der Turbulenzmodulation einer hochbeladenen reaktiven Zweiphasenströmung eines großindustriellen Prozesses erfolgen kann. Diese Untersuchung wurde beispielhaft am Vorcalcinierprozess der Zementindustrie durchgeführt. Mit Turbulenzmodulation wird die Beeinflussung der Turbulenz eines Fluids (in diesem Fall durch Partikel) bezeichnet. Durch diese Beeinflussung kann die Turbulenz der Fluidphase sowohl zunehmen als auch sinken. Turbulenzmodulation tritt bei hochbeladenen Zweiphasenströmungen auf, die u. a. in der pneumatischen Förderung, in Wirbelschichten, Blasensäulen, Zyklonabscheidern oder beim Vorcalcinierprozess vorkommen können. Der Vorcalcinierprozess ist ein komplexer Prozess, dessen einzelne Teilvorgänge (Verbrennung der eingesetzten Brennstoffe, heterogene Reaktionen im Kalkmehl, chemische Reaktionen in der Gasphase, Beeinflussung des Strahlungswärmeaustauschs und der Turbulenz durch die anwesenden Partikel) sich gegenseitig beeinflussen. Für die Modellierung des Vorcalcinierprozesses ist daher ein Modell zur Beschreibung der Turbulenzmodulation erforderlich, da mit einem solchen Modell die turbulente Vermischung der verbrennenden Gasphasenspezies im Vorcalcinator genauer beschrieben wird. Im Rahmen der vorgelegten Arbeit wurde untersucht, wie die Beschreibung der Turbulenzmodulation erfolgen kann. Als Ausgangsmodell der Untersuchung wurde das Standard-k--Modell verwendet, das bei der Beschreibung der Turbulenz von Einphasenströmungen seit langem etabliert ist. Für die Beschreibung der Turbulenzmodulation einer zweiphasigen Strömung kann dieses Modell angepasst werden, zum einen durch zusätzliche Quellterme für die Modellgrößen k (kinetische Turbulenzenergie) und (Dissipationsrate der kinetischen Turbulenzenergie), zum anderen durch eine beladungsabhängige Modellierung der turbulenten Viskosität. In der Vergangenheit wurden verschiedene Quellterm- und Viskositätsmodelle in der Literatur veröffentlich. Eine Auswahl dieser Modelle wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit für den CFD-Code FLUENT® implementiert. Anschließend wurden unter Verwendung dieser Modelle in der Literatur dokumentierte Experimente zur Turbulenzmodulation in Laboranlagen simuliert. Die Simulationsergebnisse wurden mit den Messwerten aus den Experimenten verglichen. Keines der untersuchten Modelle konnte die Anforderungen an numerische Stabilität und Vorhersagegenauigkeit erfüllen. Daher wurde ein existierendes Modell der beladungsabhängigen turbulenten Viskosität weiterentwickelt. Dieses weist die notwendige numerische Stabilität auf und zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten aus den Laboruntersuchungen. Abschließend erfolgten CFD-Simulationen eines Vorcalcinators mit dem CFD-Code FLUENT®, bei denen unter anderem der Einfluss des Modulationsmodells auf die Berechnungsergebnisse untersucht wurde. Von allen untersuchten Quellterm- und Viskositätsmodellen konnte nur das weiterentwickelte Viskositätsmodell alle Anforderung bezüglich numerischer Stabilität und Vorhersagegenauigkeit erfüllen. Es gestattet die Berücksichtigung der Turbulenzmodulation bei der CFD-Simulation komplexer großindustrieller Prozesse und leistet damit einen Beitrag zur Verbesserung der Beschreibung von CO-Ausbrand und NOx-Abbau beim Vorcalcinierprozess, die von der Turbulenzmodulation beeinflusst werden. In seiner gegenwärtigen Form ist das Modell der beladungsabhängigen turbulenten Viskosität an Fluidströmungen mit monodispersen Partikeln angepasst, weil nur für solche eine hinreichende Basis an Messwerten aus Experimenten vorhanden ist. Eine Erweiterung auf polydisperse Partikel ist wünschenswert, verlangt jedoch den vorherigen Aufbau einer Datenbasis entsprechender Messwerte. Die Durchführung von Messungen zur Turbulenzmodulation durch polydisperse Partikel ist daher Voraussetzung für eine Weiterentwicklung des vorgestellten Modells

Thermohydraulische Auslegung des Zwischenüberhitzers eines High Performance Light Water Reactors. (KIT Scientific Reports ; 7595)

Der High Performance Light Water Reactor (HPLWR) ist ein Reaktorkonzept der IV. Generation (25 MPa und 500°C am Reaktoraustritt). In der vorliegenden Arbeit wurden numerische Untersuchungen über den Einfluss von Auftriebseffekten auf gekühlte Rohrströmungen von Fluiden mit überkritischem Druck durchgeführt. Für das HPLWR Konzept werden eine Auslegung und thermodynamische Optimierung des Zwischenüberhitzers unter Berücksichtigung der Turbinenauslegung vorgestellt

Untersuchung von gasassistierten Staubflammen mittels Lasermesstechnik

Mittelfristig wird Kohle ein wichtiger Energieträger für die Stromerzeugung bleiben. Kohlendioxid-Abscheidung und –Speicherung (CCS) bietet eine Möglichkeit die Emission von Kohlendioxid bei der Kohleverstromung drastisch zu reduzieren. Um CCS bei der Kohleverstromung zu nutzen, muss das Kohlendioxid vom restlichen Abgas abgeschieden werden. Eine Möglichkeit zur effizienten Abscheidung bietet das Oxyfuel-Verfahren. Dabei wird Luft als Verbrennungsatmosphäre durch eine Mischung aus Kohlendioxid und Sauerstoff ersetzt, wodurch die abschließende Abscheidung stark vereinfacht wird. Für die Auslegung von zukünftigen Anlagen zur Kohleverstromung im Oxyfuel-Verfahren wird ein verbessertes Verständnis der zugrundeliegenden Phänomene benötigt. Um die wechselseitige Interaktion von chemischen Reaktionen, Partikeldynamik und Strömungsmechanik zu untersuchen, müssen verschiedene Parameter simultan bestimmt werden. Lasermesstechnik bietet dabei den Vorteil der geringen Invasivität und der hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung. Lasermesstechnik wurde in der Kohleverbrennung hauptsächlich an offenen Laborflammen eingesetzt, da diese die benötigte gute optische Zugänglichkeit bieten. Für die Untersuchungen dieser Arbeit wurde eine geschlossene Brennkammer mit hervorragender optischer Zugänglichkeit konstruiert. Auch der Diffusor, der sich bei vielen Kohlebrennern an die Brennerdüse anschließt, ist für optische Messungen zugänglich. So konnten erstmals Messungen in diesem für die Flammenstabilisierung wichtigen Gebiet durchgeführt werden. Die Komplexität der Messungen wurde nach dem Vorbild des TNF-Workshops schrittweise von der nicht reagierenden Einphasenströmung zur reagierenden Zweiphasenströmung erhöht. Zur simultanen Messung von Partikel- und Gasphasengeschwindigkeiten wurde ein Zweiphasen PIV/PTV System an die Kohlestaubverbrennung adaptiert und erstmals dort erfolgreich eingesetzt. Durch die simultane Messung konnten die für die Partikelverbrennung wichtigen Schlupfgeschwindigkeiten berechnet werden. Laserinduzierte Fluoreszenz von aromatischen Kohlenwasserstoffen wurde verwendet, um in einer geschlossenen Brennkammer Regionen mit starker Pyrolyseaktivität zu lokalisieren. Anhand der nicht-reagierenden Einphasenströmung wurde die für den Brenner charakteristische Strömung ermittelt. Sie zeigt einen für Drallbrenner typischen Wirbelzusammenbruch und eine schnelle Hauptströmung entlang der Diffusorwand. Anhand der reagierenden Einphasenströmung konnte mittels OH-LIF die charakteristische Form der Gasflamme bestimmt werden. Die Eintrittsbedingungen mit partiell vorgemischtem Primärstrom bedingen eine Diffusionsflamme an der Brennerdüse, die weiter stromab durch Wärmeeintrag aus der Rezirkulationszone und Mischungsvorgänge der beiden Eintrittsströme vermutlich zu einer partiell vorgemischten Flammencharakteristik übergeht. Anhand der nicht-reagierenden Zweiphasenströmung wurden simultan Gas-, Partikel- und Schlupfgeschwindigkeiten bestimmt. Dadurch konnte die unterschiedliche Bewegung von Gas und großen Partikeln ermittelt werden. Durch die Geometrie von Brenner und Diffusor verweilen die großen Brennstoffpartikel lange in der Rezirkulationszone, was ihren schnellen Umsatz fördert. Anhand der reagierenden Zweiphasenströmung wurde die Interaktion der Zweiphasenströmung mit den Ausgasungsprozessen untersucht. Die Partikelbewegung führt nicht nur zu einer langen Verweilzeit der großen Partikel, sondern auch zu einer starken Entgasungsreaktion bei ihrem Eintritt in die Rezirkulationszone. Anhand von Parameterstudien in der reagierenden Zweiphasenströmung wurden Unterschiede in der Strömung bei verschiedenen Kohlebeladungen und Kohlesorten untersucht. Eine erhöhte Kohlebeladung führt dazu, dass die thermische Expansion verzögert wird, da die Partikel zunächst als Wärmesenke fungieren, bevor ihr Brennstoff durch Reaktion zu einer Expansion des Gases führt

Experimentelle Untersuchung der Tropfenabscheidung einer horizontalen, entgegengerichteten Wasser/Luft-Schichtenströmung (KIT Scientific Reports ; 7683)

Ziel dieser Arbeit ist es, die für die CFD-Code-Entwicklung für geschichteten Zweiphasenströmungen benötigten Daten zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck wurden Experimente an der WENKA Anlage durchgeführt. Die Arbeit enthält eine Beschreibung der Testanlage und Messtechnik sowie die Versuchsergebnisse wie Phasenverteilung, Tropfenmassenstrom, Geschwindigkeitsverteilung. Eine Studie von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen vermittelt einen Eindruck von den Strömungsformen