For the qualification and validation of two-phase CFD-models for medium and large-scale industrial applications dedicated experiments providing data with high temporal and spatial resolution are required. Fluid dynamic parameter like gas volume fraction, bubble size distribution, velocity or turbulent kinetic energy should be measured locally. Considering the fact, that the used measurement techniques should not affect the flow characteristics, radiation based tomographic methods are the favourite candidate for such measurements. Here the recently developed ultrafast X-ray tomography, is applied to measure the local and temporal gas volume fraction distribution in a vertical pipe. To obtain the required frame rate a rotating X-ray source by a massless electron beam and a static detector ring are used. Experiments on a vertical pipe are well suited for development and validation of closure models for two-phase flows. While vertical pipe flows are axially symmetrically, the boundary conditions are well defined. The evolution of the flow along the pipe can be investigated as well. This report documents the experiments done for co-current upwards and downwards air-water and steam-water flows as well as for counter-current air-water flows. The details of the setup, measuring technique and data evaluation are given. The report also includes a discussion on selected results obtained and on uncertainties.

Verweilzeitverteilungen werden zur Charakterisierung verfahrenstechnischer und speziell reaktionstechnischer Prozesse herangezogen. In dispersen Systemen existiert für jede Phase eine Verweilzeitverteilung, die sich stark voneinander unterscheiden können. Verweilzeitverteilungen werden häufig auf der Basis des Dispersionsmodells oder mittels einer Rührkesselkaskade beschrieben, wobei die Anpassung nicht immer gut ist. Deshalb werden zunächst halbempirische Gleichungen vorgestellt, die mittels charakteristischen Parametern (mittlere, minimale, maximale Verweilzeit; Exponent) eine flexible Nachbildung erlauben. Die Brauchbarkeit dieser Gleichungen wird für fluide und disperse Phase anhand der Nachrechnung veröffentlichter Verweilzeitverteilungskurven in unterschiedlichen Apparaten nachgewiesen, wobei auch ein Vergleich mit den Ergebnissen anderer Modelle erfolgt. Unter der Annahme einer stationären Sinkgeschwindigkeit gelingt für stark vereinfachte Fälle die Ableitung analytischer Ausdrücke für die Verweilzeitverteilung der dispersen Phase. Realere Fälle werden mit dem stochastischen Modell ZEMP (Zellenmodell mit Platzerwechselwahrscheinlichkeit), das um die Einbeziehung der Relativgeschwindigkeit der Partikeln erweitert wurde, erfasst. Dadurch wird es möglich, den Einfluss des Dispersionskoeffizienten, der Zugabeart, des Geschwindigkeitsprofils und des Vorliegens von Eigenschaftsverteilungen auf die Verweilzeitverteilung separat auszuweisen. Für das sich entwickelnde Geschwindigkeitsprofil des laminar durchströmten Rohrs und Kanals werden Gleichungen aufgestellt, in die die Werte von Literaturen eingingen. Damit wird der Einfluss der Einlaufstrecke auf die sich ausbildende Verweilzeitverteilung ermittelt.

For the qualification and validation of two-phase CFD-models for medium and large-scale industrial applications dedicated experiments providing data with high temporal and spatial resolution are required. Fluid dynamic parameter like gas volume fraction, bubble size distribution, velocity or turbulent kinetic energy should be measured locally. Considering the fact, that the used measurement techniques should not affect the flow characteristics, radiation based tomographic methods are the favourite candidate for such measurements. Here the recently developed ultrafast X-ray tomography, is applied to measure the local and temporal gas volume fraction distribution in a vertical pipe. To obtain the required frame rate a rotating X-ray source by a massless electron beam and a static detector ring are used. Experiments on a vertical pipe are well suited for development and validation of closure models for two-phase flows. While vertical pipe flows are axially symmetrically, the boundary conditions are well defined. The evolution of the flow along the pipe can be investigated as well. This report documents the experiments done for co-current upwards and downwards air-water and steam-water flows as well as for counter-current air-water flows. The details of the setup, measuring technique and data evaluation are given. The report also includes a discussion on selected results obtained and on uncertainties.

Verweilzeitverteilungen werden zur Charakterisierung verfahrenstechnischer und speziell reaktionstechnischer Prozesse herangezogen. In dispersen Systemen existiert für jede Phase eine Verweilzeitverteilung, die sich stark voneinander unterscheiden können. Verweilzeitverteilungen werden häufig auf der Basis des Dispersionsmodells oder mittels einer Rührkesselkaskade beschrieben, wobei die Anpassung nicht immer gut ist. Deshalb werden zunächst halbempirische Gleichungen vorgestellt, die mittels charakteristischen Parametern (mittlere, minimale, maximale Verweilzeit; Exponent) eine flexible Nachbildung erlauben. Die Brauchbarkeit dieser Gleichungen wird für fluide und disperse Phase anhand der Nachrechnung veröffentlichter Verweilzeitverteilungskurven in unterschiedlichen Apparaten nachgewiesen, wobei auch ein Vergleich mit den Ergebnissen anderer Modelle erfolgt. Unter der Annahme einer stationären Sinkgeschwindigkeit gelingt für stark vereinfachte Fälle die Ableitung analytischer Ausdrücke für die Verweilzeitverteilung der dispersen Phase. Realere Fälle werden mit dem stochastischen Modell ZEMP (Zellenmodell mit Platzerwechselwahrscheinlichkeit), das um die Einbeziehung der Relativgeschwindigkeit der Partikeln erweitert wurde, erfasst. Dadurch wird es möglich, den Einfluss des Dispersionskoeffizienten, der Zugabeart, des Geschwindigkeitsprofils und des Vorliegens von Eigenschaftsverteilungen auf die Verweilzeitverteilung separat auszuweisen. Für das sich entwickelnde Geschwindigkeitsprofil des laminar durchströmten Rohrs und Kanals werden Gleichungen aufgestellt, in die die Werte von Literaturen eingingen. Damit wird der Einfluss der Einlaufstrecke auf die sich ausbildende Verweilzeitverteilung ermittelt.

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