Numerische Simulation der Zweiphasenströmung an einem Festventil eines Kolonnenbodens

Die zunehmende Energieversorgung aus regenerativen Quellen erfordert ein höheres Maß an Flexibilität beim Betrieb thermischer Trennkolonnen. Vor diesem Hintergrund werden Bodenkolonnen vermehrt mit Festventilen ausgestattet, da diese im Vergleich zu anderen Bodentypen auch bei Teil- oder Überlastfahrweisen eine hohe Trenneffizienz aufweisen. Die Auslegung solcher Böden stellt in der Praxis jedoch eine Herausforderung dar, da es bislang an verlässlichen Daten und Methoden mangelt, um den Einfluss der Ventilanordnung auf die komplexe Zweiphasenströmung abzuschätzen. Im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojektes soll daher ein grobskaliger CFD-Ansatz entwickelt werden, mit dessen Hilfe Strömungsszenarien auf Festventilböden mit vertretbarem Aufwand vorausberechnet werden können.
Im vorliegenden Beitrag werden erste Ergebnisse der Verwendung eines hybriden Modellierungsansatzes vorgestellt, mit dem sowohl disperse Strukturen als auch aufgelöste Phasengrenzflächen innerhalb einer Simulationsumgebung abgebildet werden können. Beispielhaft wird dieses Morphologie-adaptive Mehrfeld-Zweifluid-Modell hier zur Simulation der Strömung an einem einzelnen Festventil eingesetzt. Die Abbildung des Ventils erfolgt dabei nicht durch die Auflösung seiner Geometrie im Rechengitter, sondern durch die Implementierung lokaler Massen- und Impulsquellen in der Gasphase. Zur Verifikation der Simulationsergebnisse werden experimentelle Daten der Phasenverteilung um ein Ventil herangezogen, die an einem mit Luft und Wasser betriebenen Laborversuchstand mit einem Leitfähigkeitssensorarray erfasst wurden. Der Vergleich zeigt, dass die im zeitlichen Mittel auftretenden Phasengrenzflächen bei Verwendung statischer Quellterme bereits zufriedenstellend abgebildet werden können. Zur angemessenen Vorhersage des transienten Verhaltens ist jedoch eine Einbeziehung dynamischer Parameter erforderlich. Hierfür können beispielsweise experimentell ermittelte Ablösefrequenzen der Gasblasen vom Ventil verwendet werden. In weiterführenden Arbeiten soll der vielversprechende Ansatz zunächst auf Ventilgruppen und schließlich auf Böden im industriellen Maßstab übertragen werden.