Untersuchung disperser Zweiphasenströ­mungen in komplexen Geometrien – Methodenent­wicklung und Experimente

Hintergrund:

Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Verbesserung der methodischen Basis für die Weiterentwicklung von CFD-Codes zur Berechnung dreidimensionaler zweiphasiger Strömungsvorgänge im Kühlkreislauf von Kernkraftwerken. Hierzu sollen im geplanten Vorhaben zwei moderne Messverfahren für Phasenverteilung, Flüssigphasengeschwindigkeit und Turbulenz in Zweiphasenströmungen qualifiziert sowie in ausgewählten Experimenten mit kerntechnischem Hintergrund angewendet werden. Mit den methodischen Arbeiten wird einerseits auf eine nachhaltige Verbesserung der experimentellen Basis für die Validierung von CFD-Codes für die Reaktorsicherheitsforschung orientiert. Fernerhin werden mit den geplanten experimentellen Untersuchungen wertvolle Grundlagenerkenntnisse sowie Validierungsdaten für zukünftige CFD-Code-Weiterentwicklungen generiert. Drittens trägt das Vorhaben zur Erhaltung von Kompetenzen in der Reaktorsicherheitsforschung auf dem Gebiet der nuklearen Thermohydraulik bei.

Zielstellung:

In dem Vorhaben soll ein miniaturisiertes thermisches Anemometer für die Messung der lokalen Flüssigphasengeschwindigkeit in Zweiphasenströmungen entwickelt werden. Diese Sondenmesstechnik ist in Kombination mit der ultraschnellen Röntgentomographie für die experimentelle Untersuchung relevanter Strömungsprobleme einzusetzen. Die gewonnenen Daten dienen im Anschluss der Validierung bereits definierter Standardmodelle für die zweiphasige CFD-Simulation.

Methoden (und Ergebnisse):

Basierend auf dem Prinzip der thermischen Anemometrie wird eine neuartige Hitzdraht-Sonde entwickelt und experimentell erprobt. Es ist damit möglich gleichzeitig sowohl das Geschwindigkeitsfeld der flüssigen Phase, als auch die Phasenidentifikationsfunktion zu erfassen. Diese ist erforderlich, um mögliche Interaktionen der dispersen Gasphase mit der Sondenspitze zu detektieren, welche einen signifikanten Einfluss auf das Messsignal haben.
Mit Hilfe der ultraschnellen Röntgentomographie wird die Hydrodynamik der Gasphase zeitlich und räumlich hoch aufgelöst bestimmt. Es ist damit möglich den mittleren und radial abhängigen Phasengehalt in der Messebene, die Blasengrößen und ihre Verteilung, sowie die Blasenaufstiegsgeschwindigkeiten und –richtungen zu ermitteln.
Die Kombination beider Messtechniken ermöglicht folglich die genaue Beschreibung zweiphasiger Strömungen. Zudem werden durch gezielte Veränderung der untersuchten Strömungsquerschnitte für die experimentellen Untersuchungen ausgeprägte dreidimensionale Strömungen erzeugt. Die somit gewonnen Ergebnisse dienen als Validierungsdaten für Weiterentwicklungen von bestehenden Simulationsmodellen.

© TUD-PBM

Abbildung: 
Mittels der ultraschnellen Röntgentomographie visualisierte Zweiphasenströmung mit beispielhafter Einbaulage der neuartigen Hitzdrahtsonde.

Publikationen:

M. Neumann, A. Bieberle, and U. Hampel
Two-Phase Flow Studies in Complex Geometries
47th Annular Meeting on Nuclear Technology, 2016

M. Neumann, A. Bieberle, and U. Hampel
Liquid velocity determination using thermal anemometry in two - phase flows : new developments
Specialists Workshop on Advanced Instrumentation and Measurement Techniques for Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (SWINTH) 2016, 2016