Röntgentomographische Untersuchung von Blasengeschwindigkeiten in vertikalen gas-flüssig Strömungen

Die Entwicklung von neuen Zweiphasen-CFD-Modellen zur Berechnung von komplexen Strömungsvorgängen stellen ein wichtiges Ziel für Industrie und Forschung dar. Um neue Modelle sorgfältig validieren zu können, werden experimentelle quantitative Daten entsprechender Strömungsformen mit hohen zeitlichen und räumlichen Auflösungen benötigt. An der TOPFLOW-Versuchsanlage des HZDR werden dazu umfangreiche Versuche an einer vertikalen DN50-Testsektion mit Luft-Wasser und Dampf-Wasser-Strömungen bis zu p = 65 bar und einer weiten Variation der Leerrohrgeschwindigkeiten für die Wasser- und die Gasphase durchgeführt. Unter Verwendung der am HZDR entwickelten ultraschnellen Zweiebenenröntgentomographie werden momentane Gasgehaltsverteilungen im Rohrquerschnitt mit Bildraten von bis zu 2500 frames/s, einer Messzeit von 10 s und einer räumlichen Auflösung von ca. 2 mm gemessen. Nach erfolgter Rekonstruktion werden mithilfe von Segmentierungs- und Auswertealgorithmen Einzelblaseninformationen generiert. Diese Daten werden hinsichtlich Strömungsdetails wie Blasengrößenverteilungen, radiale Gasgehalts- und Gasgeschwindigkeitsprofile, Strömungsverhalten von Kleinblasen in Abhängigkeit benachbarter Blasen u. a. weiter analysiert. Der Geschwindigkeitsinformation von Einzelblasen kommt dabei eine zentrale Rolle zu. Um diese bestimmen zu können werden detektierte Blasen aus beiden Tomographieebenen in Größe, Ort und resultierender Geschwindigkeit verglichen, sodass Blasenpaare anhand von Wahrscheinlichkeitswerten für beide Ebenen ermittelt werden. Unter Verwendung des konstruktiven Abstands sowie des zeitlichen Versatzes zwischen beiden Ebenen wird die individuelle Blasengeschwindigkeit errechnet. Neben der Geschwindigkeit in Hauptströmungsrichtung können somit auch radiale Geschwindigkeitskomponenten einer Blase ermittelt werden. Auf Basis der ermittelten Geschwindigkeiten können somit von Ort und Blasengröße abhängige Geschwindigkeitsprofile erstellt werden.
Im Ergebnis stehen analysierte Messdaten mit hohem Informationsgehalt zur Zweiphasen-CFD-Modellvalidierung zur Verfügung. Diese neu generierten Daten werden in diesem Beitrag an verschiedenen Zweiphasenregimen bei aufwärts- sowie abwärtsgerichteten Strömungen vorgestellt und diskutiert. Dazu werden neben quantitativen Ergebnissen auch qualitative Untersuchungsergebnisse von Geschwindigkeitsfeldern präsentiert.