In turbulent water flows, large quantities of air bubbles are entrained at the free-surfaces. Practical applications of gas-liquid bubbly flows are found in Chemical, Civil, Environmental, Mechanical, Mining and Nuclear Engineering. Air-water flows are observed in small-scale as well as large-scale flow situations. Typical examples include thin circular jets used as mixing devices in chemical plants (Qw = 0.001 L/s, diameter = 1 mm) and spillway flows (Qw larger than 10,000 m3/s, flow thickness over 10 m). In each case, however, the interactions between the entrained air bubbles and the turbulence field are significant. The present manuscript regroups a collection of one book and 43 articles on the study of air bubble entrainment in turbulent flows. The work aims to gain a better understanding of the basic mechanisms of gas entrainment and the nteractions between entrained gas bubbles and the turbulence. It has been the purpose of the research work to assess critically the overall state of this field, to present new analysis and experimental results, to compare these with existing data, and to present new compelling conclusions regarding momentum and void fraction development of air-water gas-liquid bubbly flows. The manuscript presents a comprehensive analysis of the air entrainment processes in free-surface turbulent flows. The air-water flows are investigated as homogeneous mixtures with variable density. The variations of fluid density result from the non-uniform air bubble distributions and the turbulent diffusion process. Several types of air-water free-surface flows are studied : plunging jet flows, open channel flows, and turbulent water jets discharging into air.

Ein neues, verallgemeinertes Modell für Blasenkoaleszenz und –zerfall wurde entwickelt. Es basiert auf physikalischen Überlegungen und berücksichtigt verschiedene Mechanismen, die zu Blasenkoaleszenz und –zerfall führen können. In einer ausführlichen Literaturrecherche wurden zunächst die verfügbaren Modelle zusammengestellt und analysiert. Es zeigte sich, dass viele widersprüchliche Modelle veröffentlicht wurden. Keins dieser Modelle erlaubt die Vorhersage der Entwicklung der Blasengrößenverteilungen entlang einer Rohrströmung für einen breiten Bereich an Kombinationen von Volumenströmen der Gas- und der Flüssigphase. Das neue Modell wurde ausführlich in einem vereinfachten Testsolver untersucht. Dieser erfasst zwar nicht alle Einzelheiten einer sich entlang des Rohres entwickelten Strömungen, erlaubt aber im Gegensatz zu den CFD-Simulationen eine Vielzahl von Variationsrechnungen zur Untersuchung des Einflusses einzelner Größen und Modelle. Koaleszenz und Zerfall kann nicht getrennt von anderen Phänomenen und Modellen, die diese widerspiegeln, betrachtet werden. Es bestehen enge Wechselwirkungen mit der Turbulenz der Flüssigphase und dem Impulsaustausch zwischen den Phasen. Da die Dissipationsrate der turbulenten kinetischen Energie ein direkter Eingangsparameter für das neue Modell ist, wurde die Turbulenzmodellierung besonders genau untersucht. Zur Validierung des Modells wurde eine TOPFLOW-Experimentalserie zur Luft-Wasser-Strömungen in einem 8 m langen DN200-Rohr genutzt. Die Daten zeichnen sich durch eine hohe Qualität aus und wurden im Rahmen des TOPFLOW-IIVorhabens mit dem Ziel eine Grundlage für die hier vorgestellten Arbeiten zu liefern, gewonnen. Die Vorhersage der Entwicklung der Blasengrößenverteilung entlang des Rohrs konnte im Vergleich zu den bisherigen Standardmodellen für Blasenkoaleszenz und -zerfall in CFX deutlich verbessert werden. Einige quantitative Abweichungen bleiben aber bestehen. Die vollständigen Modellgleichungen sowie eine Implementierung über „User-FORTRAN“ in CFX stehen zur Verfügung und können für weitere Arbeiten zur Simulation polydisperser Blasenströmungen genutzt werden.

Ein neues, verallgemeinertes Modell für Blasenkoaleszenz und –zerfall wurde entwickelt. Es basiert auf physikalischen Überlegungen und berücksichtigt verschiedene Mechanismen, die zu Blasenkoaleszenz und –zerfall führen können. In einer ausführlichen Literaturrecherche wurden zunächst die verfügbaren Modelle zusammengestellt und analysiert. Es zeigte sich, dass viele widersprüchliche Modelle veröffentlicht wurden. Keins dieser Modelle erlaubt die Vorhersage der Entwicklung der Blasengrößenverteilungen entlang einer Rohrströmung für einen breiten Bereich an Kombinationen von Volumenströmen der Gas- und der Flüssigphase. Das neue Modell wurde ausführlich in einem vereinfachten Testsolver untersucht. Dieser erfasst zwar nicht alle Einzelheiten einer sich entlang des Rohres entwickelten Strömungen, erlaubt aber im Gegensatz zu den CFD-Simulationen eine Vielzahl von Variationsrechnungen zur Untersuchung des Einflusses einzelner Größen und Modelle. Koaleszenz und Zerfall kann nicht getrennt von anderen Phänomenen und Modellen, die diese widerspiegeln, betrachtet werden. Es bestehen enge Wechselwirkungen mit der Turbulenz der Flüssigphase und dem Impulsaustausch zwischen den Phasen. Da die Dissipationsrate der turbulenten kinetischen Energie ein direkter Eingangsparameter für das neue Modell ist, wurde die Turbulenzmodellierung besonders genau untersucht. Zur Validierung des Modells wurde eine TOPFLOW-Experimentalserie zur Luft-Wasser-Strömungen in einem 8 m langen DN200-Rohr genutzt. Die Daten zeichnen sich durch eine hohe Qualität aus und wurden im Rahmen des TOPFLOW-IIVorhabens mit dem Ziel eine Grundlage für die hier vorgestellten Arbeiten zu liefern, gewonnen. Die Vorhersage der Entwicklung der Blasengrößenverteilung entlang des Rohrs konnte im Vergleich zu den bisherigen Standardmodellen für Blasenkoaleszenz und -zerfall in CFX deutlich verbessert werden. Einige quantitative Abweichungen bleiben aber bestehen. Die vollständigen Modellgleichungen sowie eine Implementierung über „User-FORTRAN“ in CFX stehen zur Verfügung und können für weitere Arbeiten zur Simulation polydisperser Blasenströmungen genutzt werden.