The works aimed at the further development and validation of models for CFD codes. For this reason, the new thermal-hydraulic test facility TOPFLOW was erected and equipped with wire-mesh sensors with high spatial and time resolution. Vertical test sections with nominal diameters of DN50 and DN200 operating with air-water as well as steam-water two-phase flows provided results on the evaluation of flow patterns, on the be¬haviour of the interfacial area as well as on interfacial momentum and heat transfer. The validation of the CFD-code for complex geometries was carried out using 3D void fraction and velocity distributions obtained in an experiment with an asymmetric obstacle in the large DN200 test section. With respect to free surface flows, stratified co- and counter-current flows as well as slug flows were studied in two horizontal test channels made from acrylic glass. Post-test calculations of these experiments succeeded in predicting the slug formation process. Corresponding to the main goal of the project, the experimental data was used for the model development. For vertical flows, the emphasis was put on lateral bubble forces (e.g. lift force). Different constitutive laws were tested using a Multi Bubble Size Class Test Solver that has been developed for this purpose. Basing on the results a generalized inhomogeneous Multiple Size Group (MUSIG) Model has been proposed and implemented into the CFD code CFX (ANSYS). Validation calculations with the new code resulted in the conclusion that particularly the models for bubble coalescence and fragmentation need further optimisation. Studies of single effects, like the assessment of turbulent dissipation in a bubbly flow and the analysis of trajectories of single bubbles near the wall, supplied other important results of the project.

Ziel der Arbeiten war die Weiterentwicklung und Validierung von Modellen in CFD-Codes. Hierzu wurde am FZD die thermohydraulische Versuchsanlage TOPFLOW aufgebaut und mit räumlich und zeitlich hochauflösenden Gittersensoren ausgestattet. Vertikale Teststrecken mit Nenndurchmessern von DN50 bzw. DN200 für Luft/Wasser- sowie Dampf/Wasser-Strömungen lieferten Ergebnisse zur Entwicklung von Strömungsformen, zum Verhalten der Zwischenphasengrenzfläche sowie zum Wärme- und Impulsaustausch zwischen den Phasen. Die Validierung des CFD-Codes in komplexen Geometrien erfolgte anhand von 3D Gasgehalts- und Geschwindigkeitsfeldern, die bei Umströmung eines asymmetrischen Hindernisses auftreten, das in der Teststrecke DN200 eingebaut war. Im Hinblick auf Strömungen mit freier Oberfläche untersuchte das FZD in zwei horizontalen Acrylglas-Kanälen geschichtete Zweiphasenströmungen im Gleich- bzw. Gegenstrom sowie Schwallströmungen. Bei den Nachrechnungen dieser Versuche gelang die Simulation der Schwallentstehung. Entsprechend des Projektziels wurden die experimentellen Ergebnisse zur Modellentwicklung genutzt. Bei vertikalen Strömungen stand die Wirkung der lateralen Blasenkräfte (z.B. Liftkraft) im Vordergrund. Zum Test unterschiedlicher Modellansätze wurde hierzu ein Mehrblasenklassen-Testsolver entwickelt und genutzt. Darauf aufbauend wurde ein neues Konzept für ein Mehrblasenklassenmodell, das Inhomogene MUSIG Modell erarbeitet und in den kommerziellen CFD Code CFX (ANSYS) implementiert. Bei Validierungsrechnungen zeigte sich, dass vor allem die Blasenkoaleszenz- und -zerfallsmodelle weiter optimiert werden müssen. Untersuchungen zu Einzeleffekten, wie z.B. die Abschätzung von Turbulenzkoeffizienten und die Analyse der Trajektoren von Einzelblasen in unmittelbarer Wandnähe, lieferten weitere wichtige Ergebnisse des Projekts.

The works aimed at the further development and validation of models for CFD codes. For this reason, the new thermal-hydraulic test facility TOPFLOW was erected and equipped with wire-mesh sensors with high spatial and time resolution. Vertical test sections with nominal diameters of DN50 and DN200 operating with air-water as well as steam-water two-phase flows provided results on the evaluation of flow patterns, on the be¬haviour of the interfacial area as well as on interfacial momentum and heat transfer. The validation of the CFD-code for complex geometries was carried out using 3D void fraction and velocity distributions obtained in an experiment with an asymmetric obstacle in the large DN200 test section. With respect to free surface flows, stratified co- and counter-current flows as well as slug flows were studied in two horizontal test channels made from acrylic glass. Post-test calculations of these experiments succeeded in predicting the slug formation process. Corresponding to the main goal of the project, the experimental data was used for the model development. For vertical flows, the emphasis was put on lateral bubble forces (e.g. lift force). Different constitutive laws were tested using a Multi Bubble Size Class Test Solver that has been developed for this purpose. Basing on the results a generalized inhomogeneous Multiple Size Group (MUSIG) Model has been proposed and implemented into the CFD code CFX (ANSYS). Validation calculations with the new code resulted in the conclusion that particularly the models for bubble coalescence and fragmentation need further optimisation. Studies of single effects, like the assessment of turbulent dissipation in a bubbly flow and the analysis of trajectories of single bubbles near the wall, supplied other important results of the project.

Ziel der Arbeiten war die Weiterentwicklung und Validierung von Modellen in CFD-Codes. Hierzu wurde am FZD die thermohydraulische Versuchsanlage TOPFLOW aufgebaut und mit räumlich und zeitlich hochauflösenden Gittersensoren ausgestattet. Vertikale Teststrecken mit Nenndurchmessern von DN50 bzw. DN200 für Luft/Wasser- sowie Dampf/Wasser-Strömungen lieferten Ergebnisse zur Entwicklung von Strömungsformen, zum Verhalten der Zwischenphasengrenzfläche sowie zum Wärme- und Impulsaustausch zwischen den Phasen. Die Validierung des CFD-Codes in komplexen Geometrien erfolgte anhand von 3D Gasgehalts- und Geschwindigkeitsfeldern, die bei Umströmung eines asymmetrischen Hindernisses auftreten, das in der Teststrecke DN200 eingebaut war. Im Hinblick auf Strömungen mit freier Oberfläche untersuchte das FZD in zwei horizontalen Acrylglas-Kanälen geschichtete Zweiphasenströmungen im Gleich- bzw. Gegenstrom sowie Schwallströmungen. Bei den Nachrechnungen dieser Versuche gelang die Simulation der Schwallentstehung. Entsprechend des Projektziels wurden die experimentellen Ergebnisse zur Modellentwicklung genutzt. Bei vertikalen Strömungen stand die Wirkung der lateralen Blasenkräfte (z.B. Liftkraft) im Vordergrund. Zum Test unterschiedlicher Modellansätze wurde hierzu ein Mehrblasenklassen-Testsolver entwickelt und genutzt. Darauf aufbauend wurde ein neues Konzept für ein Mehrblasenklassenmodell, das Inhomogene MUSIG Modell erarbeitet und in den kommerziellen CFD Code CFX (ANSYS) implementiert. Bei Validierungsrechnungen zeigte sich, dass vor allem die Blasenkoaleszenz- und -zerfallsmodelle weiter optimiert werden müssen. Untersuchungen zu Einzeleffekten, wie z.B. die Abschätzung von Turbulenzkoeffizienten und die Analyse der Trajektoren von Einzelblasen in unmittelbarer Wandnähe, lieferten weitere wichtige Ergebnisse des Projekts.