Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Bestimmung ...

2.8 Zielsetzung der Arbeit
2. Stand der Forschung 33
In den vorangehenden Abschnitten wird die Bedeutung der Blasengrößenverteilung für die
genaue Berechnung von Gas-Flüssigkeits-Strömungen dargestellt. Populationsbilanzen sind
dabei das detaillierteste Werkzeug zur Beschreibung der veränderlichen Anzahldichteverteilungsfunktion
in Abhängigkeit von den lokal vorliegenden Strömungsgrößen.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist somit die Aufstellung und Validierung von auf den Populationsbilanzen
beruhenden Methoden zur Bestimmung der Blasengrößen und -verteilungen.
Insbesondere für turbulente Blasenströmungen hohen Gasgehalts mit Koaleszenz und Zerfall
hat sich bei Betrachtung des Standes der Forschung gezeigt, dass noch offene Fragestellungen
existieren, die zur Erreichung des Zieles geklärt werden müssen. Die wichtigsten seien
hier aufgezählt.
1. Die Quellterme in den Populationsbilanzen für Koaleszenz und Zerfall in turbulenten Blasenströmungen
sind von den lokalen Turbulenzgrößen abhängig. Die genaue Quantifizierung
dieser Abhängigkeiten in weiten Parameterbereichen wurde bislang nicht
durchgeführt. Insbesondere wurden viele Untersuchungen nur bei sehr geringen Gasgehalten
von wenigen Prozent durchgeführt, die lokalen Turbulenzgrößen wurden nur selten
messtechnisch bestimmt.
2. Der in bestehenden Modellen angenommene Koaleszenzmechanismus, welcher der Formulierung
der Koaleszenz-Quellterme zugrunde liegt, basiert weitgehend auf Untersuchungen
an ruhenden Blasen. Bislang wurde die Anwendungsmöglichkeit der
bestehenden Modelle für turbulente Strömungen nicht detailliert überprüft, etwa durch
eine zeitaufgelöste Beobachtung von Koaleszenzvorgängen direkt in der Strömung. Bei
der Modellierung der Zerfallsvorgänge wird bislang von Kugelblasen ausgegangen und
die Blasendeformation nicht berücksichtigt.
3. Für die numerische Lösung der Populationsbilanz existieren verschiedene in der Literatur
vorgeschlagene Lösungsmöglichkeiten, welche den Lösungsaufwand reduzieren können,
aber auch nur unter bestimmten Vereinfachungen gelten.
4. Als Randbedingung zur Lösung der Populationsbilanz muss eine Primärblasenverteilung
vorgegeben werden. Es ist unbekannt, inwieweit die in der Literatur vorhandenen Modelle
zur Berechnung der entstehenden Blasengröße mit der Populationsbilanz gekoppelt werden
können.
5. Die Turbulenz der flüssigen Phase ist ein wichtiger Einflussparameter auf Koaleszenz und
Zerfall und wird durch die Blasen bei hohen Gasgehalten deutlich modifiziert. Die
bekannten Modelle zur Bestimmung der turbulenten Schwankungsgeschwindigkeiten sind
bislang nicht in der Lage, alle Effekte wie Pseudoturbulenz, Anfachung durch Nachlaufwirbel
oder Dissipation durch die Blasenoberfläche quantitativ korrekt zu erfassen.
Zur Bearbeitung dieser Fragestellungen werden verschiedene Aufgaben definiert.