Workshop "Meßtechnik für stationäre und transiente ...

a. die Annahme einer homogenen, d. h. schlupffreien Strömung sowie eines thermodynamischen
bzw. thermischen Gleichgewichts zwischen den beiden Phasen. Speziell für Zweikomponenten-
Zweiphasenströmungen ohne Phasenübergang ist nicht auszuschließen, daß eine zutreffende
Berechnung des sich einstellenden Massenstroms nur deshalb möglich ist, weil sich einzelne Ab-
weichungen durch vereinfachende, evtl. unrichtige Annahmen in den Untermodellen gegenseitig
kompensieren. Das Ziel ist daher die Überprüfung der im Modell von P. Pana verwendeten An-
nahmen über die postulierte Zustandsänderung der Gasphase sowie die Relativgeschwindigkeit
bzw. den Schlupf der beiden Phasen. Hierzu sind mit der Hochgeschwindigkeitskinematogra-
phie Aufnahmen von Blasenströmungen in engen Spalten durchgeführt worden. Mit Hilfe von
Objekterkennungsalgorithmen und rechnergestützter Bildauswertung wurden die Geschwindig-
keiten einzelner Blasen sowie über die Volumenzunahme die Zustandsänderung des in ihnen
enthaltenen Gases ermittelt. Eine Änderung des sich einstellenden Strömungsmassendampf-
gehalts durch einen Phasenübergang mit einem etwa auftretenden Siedeverzug kann bei den
zunächst mit WasserlLuft-Strömung durchgeführten Versuche aufgrund der geringen gegen-
seitigen Löslichkeit in erster Näherung vernachtässigt werden. Somit ist dabei der Strömungs-
massenluftgehalt entlang des Strömungswegs quasi konstant und iäßt sich durch Kombination
der beiden Einzelmassenströme fest vorgeben.
Spaltmeßstrecke
Die Meßstrecke besteht im wesentlichen aus zwei parallel (zueinander) angeordneten Glasplat-
ten, Bild 1 . Diese Anordnung ermöglicht die optische Erfassung der Zweiphasenströmung über
die gesamte Länge des Meßspalts. Über die in die Seitenwand des Spalts eingebrachten Boh-
rungen wird mit Hilfe von Druckaufnehmern zusätzlich der statische Wanddruck entlang der
Meßstrecke ermittelt. In einem vor dem Spalt angeordneten fluiddynamischen Beruhigungs-
raum ist die Zulaufgeschwindigkeit aufgrund des im Vergleich zur Spaltmeßstrecke großen
Strömungsquerschnitts so klein, daß dort das Fluid in erster Näherung als ruhend betrachtet
werden kann. Der gemessene Wanddruck entspricht dann dem Gesamtdruck. Zur Vermeidung
einer Separation der Phasen sowie einer Inversion der Phasengrenzfläche infolge der Schwer-
kraft in diesem quasi ruhenden Zulauf wird die Meßstrecke vertikal aufwärts durchströmt.
Theoretische Grundlagen
Bei volumetrischen Luftgehalten von kleiner als Ca. 50 %, dies entspricht im hier betrachteten
Druckbereich von bis zu 10 bar bei Annahme einer schlupffreien Strömung einem Massen-
luftgehalt von maximal 0,2 %, bildet sich in der Spaltmeßstrecke eine Blasenströmung aus.
Insbesondere bei niedrigen mittleren Strömungsgeschwindigkeiten sind die Durchmesser der da-
bei auftretenden Blasen erheblich größer als die Spaltweite von rund 0,5 mm. Daher verformen
sich die Blasen beim Eintritt in die Spaltmeßstrecke zu flachen Scheiben. Für die rechnerische
Bildauswertung können diese in erster Näherung als zweidimensionale Körper angesehen wer-
den. Die Bewegung der Blasen kann damit nur in zwei Raumrichtungen erfolgen. Das Volumen
läßt sich dann wegen des parallelen Spalts näherungsweise aus dessen lichter Weite und der
Kontaktfläche der Blasen an der Glaswand abschätzen.
Die in einer Blase enthaltene Luftmasse bleibt, wenn kein Kontakt und auch keine Koales-
zenz mit einer weiteren Blase auftritt, irn Verlauf der Durchströmung des Spaltes nahezu
konstant. Aufgrund des Abfalls des statischen Drucks entlang des Strömungsweges steigt das