Stroemungskarten und Modelle fuer transiente Zweiphasenstroemungen Abschlussbericht

Abstract

Experiments with novel measurement instrumentation delivered data on the structure of transient gas-liquid flows used for the development and validation of microscopic, i.e. geometry-independent constitutive equations for the description of momentum exchange between the phases as well as for characterising the frequency of bubble coalescence and fragmentation. For this purpose a vertical test section of the two-phase facility MTLoop in Rossendorf was used, whereas wire-mesh sensors with a resolution of 2-3 mm and a sampling frequency of up to 10 kHz were applied for the first time. This allowed to record the evolution of gas fraction and velocity profiles as well as bubble size distributions along the flow path and during fast transients, i.e. to obtain the data necessary for the modelling. For the test of the model equations, a simplified solver for the fluid-dynamic equations along the test pipe was developed, which considers a large number of bubble size classes. The numerical solutions have shown that the transition from bubble flow with a wall peak of the gas fraction to a flow with central peak and further to a slug flow at increasing gas velocities can be modelled on basis of a unified set of physically reasonable and geometry-independent constitutive laws. These model equations have proven to be generalising for a certain region of superficial velocities and are ready for an implementation in CFD codes. Furthermore, experiments on steam condensation were performed, which have a direct relation to condensation models in thermal hydraulic system codes. The investigations gained experimental data for the model validation, including the behaviour and the effect of non-condensible gases. A special kind of probes for the detection of the non-condensible gas and the replacement of plugs of it were developed and applied in transient condensation tests in slightly inclined heat exchanger pipes. (orig.)Experimente mit neuartigen Messverfahren lieferten Daten ueber die Struktur von trasienten Fluessigkeits-Gas-Stroemungen fuer die Entwicklung und Validierung von mikroskopischen, d.h. geometrieunabhaengigen Konstitutivbeziehungen zur Beschreibung des Impulsaustauschs zwischen Fluessigphase und Gasblasen sowie zur Quantifizierung der Haeufigkeit von Blasenkoaleszenz und -zerfall. Hierzu wurde eine vertikale Testsektion der Zweiphasentestschleife MTLoop in Rossendorf genutzt, wobei erstmals Gittersensoren mit einer Aufloesung von 2-3 mm bei einer Messfrequenz von bis zu 10 kHz angewandt wurden. Dabei wurde die Evolution von Gasgehalts-, Geschwindigkeits- und Blasengroessenverteilungen entlang des Stroemungsweges und bei schnellen Uebergangsprozessen aufgenommen und so die fuer die Modellbildung erforderlichen Daten bereitgestellt. Fuer den Test der Modellbeziehungen wurde ein vereinfachtes Verfahren zur Loesung der Stroemungsgleichungen entlang des Stroemungswegs erstellt. Es basiert auf der Betrachtung einer groesseren Anzahl von Blasengroessenklassen. Die erhaltenen numerische Loesungen haben erstmals gezeigt, dass der bei Erhoehung der Gasvolumenstromdichte stattfindende Uebergang von einer Blasenstroemung mit Randmaximum zu einem Profil mit Zentrumsmaximum und anschliessend zu einer Pfropfenstroemung ausgehend von einem einheitlichen Satz physikalisch begruendeter und geometrieunabhaengiger Konstitutivgleichungen modelliert werden kann. Die Modellbeziehungen haben sich in einem abgegrenzten Gebiet der Volumenstromdichten als generalisierungsfaehig erwiesen und sind fuer den Einbau in CFD-Modelle geeignet. Weiterhin wurden Arbeiten zur Kondensation durchgefuehrt, die direkten Bezug zu den Kondensationsmodellen haben, die in Thermohydraulik-Codes enthalten sind. Die Untersuchung liefert darueber hinaus experimentelle Daten fuer die Modellvalidierung hinsichtlich des Verhaltens und des Einflusses nichtkondensierbarer Gase. Hierfuer wurden spezielle Sonden fuer die Bestimmung der Konzentration und fuer die Lokalisierung von Pfropfen nichtkondensierbarer Gase entwickelt und bei transienten Kondensationsversuchen in einem leicht geneigten Waermeuebertragerrohr eingesetzt. (orig.)Available from TIB Hannover: RR 1847(379) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEBundesministerium fuer Bildung und Forschung, Berlin (Germany); Gesellschaft fuer Anlagen- und Reaktorsicherheit mbH (GRS), Koeln (Germany)DEGerman