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Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Bestimmung von veränderlichen Blasengrößen und Blasengrößenverteilungen in turbulenten Gas-Flüssigkeits-Strömungen

Gnotke, Oliver :
Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Bestimmung von veränderlichen Blasengrößen und Blasengrößenverteilungen in turbulenten Gas-Flüssigkeits-Strömungen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Bestimmung von veränderlichen Blasengrößen und Blasengrößenverteilungen in turbulenten Gas-Flüssigkeits-Strömungen
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit wurde eine auf den Populationsbilanzen basierende Momentenmethode entwickelt und experimentell validiert, welche die Berechnung einer veränderlichen Blasengrößenverteilung in turbulenten Gas/Flüssigkeits-Strömungen erlaubt. Dies ist notwendig, um den in verfahrens- und energietechnischen Strömungsapparaten stattfindenden Austausch von Masse, Impuls und Energie an der Phasengrenze zu berechnen. Die Momentenmethode stellt die Lösung der Erhaltungsgleichungen für drei statistische Momente der Anzahldichteverteilungsfunktion dar und hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu den Populationsbilanzen nur ein geringer Rechenaufwand notwendig ist. Als Einschränkung muss dafür eine bestimmte Form der Durchmesserverteilungsfunktion, hier eine Gamma-Verteilung, angenommen werden. Ziel der Untersuchungen ist die experimentelle Quantifizierung der Koaleszenz- und Zerfallsraten in den Momentengleichungen. Gegenstand der Experimente sind adiabate Wasser/Luft-Blasenströmungen unter dem Einfluss von Koaleszenz und Zerfall in Rohren mit 50 und 90 mm Durchmesser und verschiedenen turbulenzerzeugenden Einbauten, wie Gitter und statische Mischer. Die zeitaufgelöste Betrachtung von Koaleszenz- und Zerfallsvorgängen mit Hilfe eines digitalen Hochgeschwindigkeits-Videosystems in Strömungen niedrigen Gasgehalts erlaubte zunächst die Quantifizierung charakteristischer Zeit- und Längenmaße dieser Vorgänge. Als Ergebnisse erhält man kritische Weberzahlen, worüber die Koaleszenz- und Zerfallseffizienz bestimmt werden konnten. Als wichtige Einflussgrößen können in den verwendeten Modellen die Blasengröße, die turbulente Dissipationsrate als charakteristische Turbulenzgröße, Stoffdaten, die Koaleszenzzeit und die Blasendeformation vor dem Zerfall berücksichtigt werden. Die direkte Validierung der Koaleszenz- und Zerfallraten konnte durch die Messung der Entwicklung der Blasengesamtanzahldichte in Strömungen mit bis zu 20 % Gasgehalt durchgeführt werden. Gleichzeitig wurden die Turbulenzgrößen der kontinuierlichen Phase bestimmt. Bei den Messreihen wurden Gas- und Flüssigkeitsleerrohrgeschwindigkeiten variiert und die Randbedingungen bzgl. der Blasengrößenverteilung mittels verschiedener Eindüseröhrchen und Gitter modifiziert. Zur Bestimmung der Turbulenzgrößen der kontinuierlichen Phase in Zweiphasenströmungen wurden X-Heißfilmsonden, zur Ermittlung der Blasendurchmesserverteilungen und des Gasgehalts faseroptische Sensoren eingesetzt. Die Blasendurchmesserverteilungen wurden aus den gemessenen Sehnenlängenverteilungen mit einem neu entwickelten Algorithmus ermittelt. Es zeigt sich, dass die Entwicklung der Gesamtanzahldichte mit den entwickelten Momentengleichungen im Rahmen der Messungenauigkeit wiedergegeben werden kann. Auch die Koaleszenz nach statischen Mischern, welches ein wichtiges technisches Anwendungsgebiet dieser Methode darstellt, kann vorhergesagt werden. Die Turbulenz der kontinuierlichen Phase stellt eine wichtige Einflussgröße auf Koaleszenz, Zerfall und Blasendispersion dar. Insbesondere konnten durch Messung der Turbulenz in der Zweiphasenströmung und der entsprechenden Einphasenströmung Informationen über die blaseninduzierte Turbulenz gewonnen werden. Diese Daten können für die Entwicklung von Zweiphasenturbulenzmodellen genutzt werden. Als Randbedingung für die Anwendung der Momentengleichungen ist die Kenntnis einer Primärblasengröße notwendig, also die an der Eindüsung entstehende Größe der Blasen. Der Mechanismus der Blasenbildung wurde an Düsen mit Flüssigkeit im Gleich- und Querstrom betrachtet. Durch digitale Bildverarbeitung wurden die Primärblasengrößen bestimmt und hierüber eine Berechnungsvorschrift überprüft, welche die Blasengrößen im Bereich des Blasengasens und im Übergangsbereich zum Strahlgasen mit ausreichender Genauigkeit vorhersagen kann. Verschiedene Anwendungsbeispiele und Potentiale der Momentenmethode werden diskutiert: Implementierung in numerische Strömungsberechnungsprogramme (CFD) am Beispiel Strahlgasen und Blasenaufstieg, Berücksichtigung von koaleszenzhemmenden Substanzen und Nutzung einer analytischen Lösung der Momentengleichung zur schnellen Blasengrößenberechnung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
A moment-method is presented that is based on the population balance which allows for calculation of a changing bubble size distribution in turbulent gas-liquid flows. Main focus is the experimental validation of the method. The results can be used for an improved prediction of mass, momentum and energy transfer in apparatuses in chemical or power plants. The moment method represents a solution for the conservation equations for the statistical moments of the number density distribution function. Contrary to the population balances only little numerical effort is necessary for the solution. A presumed shape of bubble diameter distribution function is needed, e.g. a gamma or log-normal distribution function. The experimental results are used to validate coalescence and break up rates in the moment method.Experiments were carried out in air-water bubbly flow in tubes with 50 and 90 mm diameter. Different grids and a static mixer were used to modify the turbulent flow field. Gas void fraction reached up to 25 %. A digital high speed camera setup was used to have the necessary resolution in time and space to investigate coalescence and break-up events. Characteristic time and size scales could be determined and consolidated in critical Weber numbers that can now easily be used to calculate coalescence and break-up efficiencies. The developed models take into account the most important parameters on coalescence and break-up as bubble size, turbulent dissipation rate, physical properties, coalescence time and bubble deformation before break-up. As further way for the validation of the coalescence and break-up rates in the moment method the measurement of the development of the number density distribution function was carried out. Simultaneously the turbulence parameters of the water phase were measured. Air and gas superficial velocities were varied and the inlet conditions for the phases were modified with the help of gas nozzles of different diameters and turbulence grids. For turbulence measurements X-hotfilm probes and for the bubble-diameter-pdf fibre optical probes were used. An algorithm is presented to transform the measured chord-length-pdf into the desired bubble-diameter-pdf. Good matching between the results of the moment method and the measured values can be reached. As important application of the method also the prediction of coalescence and break-up in and downstream of static mixers was validated. The results of the turbulence measurement could be used for the development of two-phase-flow turbulence prediction that is also important for the proper prediction of coalescence and break-up. As further influencing mechanism on two-phase-flows the bubble formation was studied at high gas flows (jet flow). Some application examples of the moment method for the prediction of changing bubble size distributions are presented. The implementation in the CFD code FLUENT was used to numerically predict bubbly jet flow and bubble swarm ascend in horizontal flow. In an simple experimental setup the influence of surfactants was investigated. The moment method was further simplified to develop a tool for fast and easy prediction of coalescence and break-up in technical applications.English
Uncontrolled Keywords: Populationsbilanz, statistische Momente, faseroptische Sonde, Hochgeschwindigkeits-Video, Heissfilmsonde, Blasengrößenverteilung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Populationsbilanz, statistische Momente, faseroptische Sonde, Hochgeschwindigkeits-Video, Heissfilmsonde, BlasengrößenverteilungGerman
Gas-liquid flow, population balance equation, coalescence, break-up, turbulence, fibre optical probe, X-hotfilm probe, bubble size distribution, interfacial area concentrationEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000536
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-5369
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Loth, Prof. Dr. Ralf and Hampe, Prof. Dr.- Manfred
Advisors: Loth, Prof. Dr. Ralf
Refereed: 7 July 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/536
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