Es wurde ein neues Zweifluidmodell entwickelt, um Nichtgleichgewichtseffekte in kritischen und nahkritischen Ein-komponenten-Zweiphasenströmungen von anfänglich unter-kühlten oder siedenden Fluiden durch Rohre und Düsen zu untersuchen. Das vorgeschlagene Sechs-Gleichungsmodell besteht aus den phasenbezogenen Erhaltungsgleichungen für Masse und Impuls, der Bilanzgleichung für die thermische Energie der flüssigen Phase sowie einer zusätzlichen Transport-gleichung für die volumetrische Blasenanzahl. Zur Lösung des Systems aus partiellen Differentialgleichungen wird ein semi-implizites Finite-Differenzen-Zeitschrittverfahren angewendet. Die Schließung des Gleichungssystems wird durch Einbindung thermodynamischer Beziehungen und konstitutiver Gleichungen, die den strömungsformabhängigen Impuls-, Wärme- und Stofftransport beschreiben, erreicht. Für Strömungssysteme mit spontaner Entspannungsverdampfung aus dem rein flüssigen Zustand (Flashing) werden verschiedene Keimbildungsmodelle eingesetzt, die den Anfangszustand der verzögerten Dampfbildung beschreiben. Auf diese Weise werden thermodynamische Nichtgleichgewichtszustände als Folge von Zuständen mit für die Aktivierung von Keimstellen benötigtem Energieüberschuß, eingeschränkt vorhandener Phasengrenzfläche sowie begrenzter Wärmeübertragung zwischen den Phasen betrachtet. Abweichungen vom fluid-dynamischen Gleichgewicht (Phasenschlupf) ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Trägheitseigenschaften und verschieden stark ausgeprägter mechanischer Kopplung zwischen den Phasen. Die mit diesem Modell erhaltenen numerischen Ergebnisse stimmen gut mit experimentellen Werten für Zweiphasen-strömungen mit unterschiedlichen Eintrittsbedingungen und Kanalgeometrien überein. / A new two-fluid flow model has been developed in order to examine non-equilibrium effects in critical and near-critical one-component two-phase flows of initially subcooled or saturated fluids through pipes and nozzles. The six-equation model proposed consists of the phasic conservation equations of mass and momentum, the liquid thermal energy, and of an additional transport equation for the bubble number density. To solve for the unknowns of the system of partial differential equations, a semi-implicit finite difference time-marching method is utilized. The closure of the set of equations is accomplished by thermodynamic relationships and additional constitutive equations describing momentum transport, interphase heat, and mass transfer which account for different flow regimes. For fluid flow systems undergoing a sudden change of phase from the pure liquid state (flashing), distinct nucleation models are included to describe the initial state of delayed vapor generation. In this way thermal non-equilibrium states are considered to be the consequence of excessive energy states required to activate nucleation sites, of restricted interfacial area and limited heat transfer between the phases. Deviation from fluid-dynamic equilibrium (phasic slip) results from different inertial properties and from distinct strength of mechanical coupling between the phases. The numerical results obtained with this model agree quite well with experimental data for two-phase flows with various inlet conditions and channel geometries.

Counter-Current Flow Limitation (CCFL) is of importance for PWR safety analyses in several accident scenarios connected with loss of coolant. Basing on the experiences obtained during a first series of hot leg tests now new experiments on counter-current flow limitation were conducted in the TOPFLOW pressure vessel. The test series comprises air-water tests at 1 and 2 bar as well as steam-water tests at 10, 25 and 50 bar. During the experiments the flow structure was observed along the hot leg model using a high-speed camera and web-cams. In addition pressure was measured at several positions along the horizontal part and the water levels in the reactor-simulator and steam-generator-simulator tanks were determined. This report documents the experimental setup including the description of operational and special measuring techniques, the experimental procedure and the data obtained. From these data flooding curves were obtained basing on the Wallis parameter. The results show a slight shift of the curves in dependency of the pressure. In addition a slight decrease of the slope was found with increasing pressure. Additional investigations concern the effects of hysteresis and the frequencies of liquid slugs. The latter ones show a dependency on pressure and the mass flow rate of the injected water. The data are available for CFD-model development and validation.

Der vorliegende Bericht gibt einen zusammenfassenden Überblick der im Vorhaben erreichten Ergebnisse. Ziel war die Qualifikation von CFD-Methoden für Zweiphasenströmungen mit Phasenüber¬gang. Dafür werden neuartige experimentelle Daten benötigt. Diese können an der TOPFLOW-Anlage des HZDR generiert werden, da die Anlage Experimente in für die Reaktorsicher-heits¬forschung relevanten Skalen und Parametern mit innovativen Messtechniken verbindet. Die experimentellen Arbeiten umfassen Untersuchungen zu Strömungen in vertikalen Rohren mit Hilfe der ultraschnellen Röntgentomographie, zu Strömungen mit und ohne Phasenübergang in einem Testbassin sowie zur Gegenstrombegrenzung in einem Heißstrangmodell. Diese werden im vorliegenden Bericht nur kurz dargestellt, da es zu allen 3 Versuchsserien ausführliche Dokumentationen in separaten Berichten gibt. Ein wichtiges Ergebnis der Arbeiten zur CFD-Qualifizierung ist der Erstellung des Baseline-Modellkonzepts sowie die Erstellung des Baseline-Modells für polydisperse Blasenströmungen. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der Vorhersagefähigkeit von CFD-Codes auf Basis des Zwei- oder Mehr-Fluid-Modells erreicht. Das innovative Generalized Two-Phase Flow Konzept (GENTOP) zielt hingegen auf eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten der Zweiphasen-CFD. In vielen Strömungen treten unterschiedlicher Morphologien der Phasen bzw. Strömungsformen parallel in einer Strömungsdomäne auf. Außerdem gibt es Übergänge zwischen diesen Morphologien. Mit dem GENTOP-Konzept wurde erstmals ein Rahmen geschaffen der die Simulation solcher Strömungen auf konsistente Art und Weise ermöglicht. Spezielle Modellentwicklungen erfolgten mit dem Ziel einer besseren Modellierung des Phasenübergangs.

The extensive experimental results presented in this report provide a high-quality database for air-/water flows in a vertical pipe with a nominal diameter of 200 mm. This database can be used for the development and validation of CFD-like models for two-phase flows, e.g. for bubble coalescence and fragmentation. In particular, the investigations aim on the evolution of the two-phase flow along the pipe height. Therefore, up to 18 single measurements with varying distances between the gas injection and measurement plane were realised for each of the 92 combinations of gas and water flow rates. The pressure at the position of the activated gas injection was kept constant at 0.25 MPa(a). This boundary condition has the advantage that the measured data represent exactly the evolution of the flow along the pipe, i.e. they reflect a configuration at which the gas injection is at a fixed height position, while the measurement plane varies. Important results of this test series are time averaged radial profiles of the gas fraction, and the gas velocity, as well as the time and cross-section averaged bubble size distributions. Furthermore, gas fraction data resolved regarding the bubble size and spatial distribution are presented. As in previous test series, flow patterns were analysed, whereby the classification results from the bubble size. A substantial part of these new air/water experiments were quality and plausibility checks of the measured data. In the result, a clear and consistent trend regarding their evolution with increasing distance from the position of the gas injection was found. Comparisons of the trend of time and cross section averaged gas volume fraction along the pipe height with the theoretically expected values were carried out. The influence of the orifice diameter of the gas injection on flow patterns is also discussed in the report.

Die im Rahmen dieser Versuchsserie erzielten umfangreichen experimentellen Ergebnisse bilden eine hochwertige Datenbasis für Luft-Wasser-Strömungen in einem vertikalen DN200-Rohr, die für die Entwicklung und Validierung von CFD-Modellen, beispielweise bzgl. Blasenkoaleszenz und -fragmentierung, genutzt werden können. Besonderes interessant ist die Untersuchung der Entwicklung der Zweiphasenströmung über der Rohrhöhe. Aus diesem Grund wurden für jede der 92 betrachteten Kombinationen aus Gas- und Wasser-Volumenstromdichten bis zu 18 Messungen mit variablen Abständen zwischen Gaseinspeisung und Messebene durchgeführt. Dabei wurde der Druck an der Gaseinspeisestelle konstant auf 0,25 MPa(a) gehalten. Diese Randbedingung bietet den Vorteil, dass die so gemessenen Daten die Entwicklung der Strömung über der Rohrhöhe widerspiegeln, d.h. eine Konfiguration beschreiben, bei der das Gas an einer festen Höhenposition eingespeist wird und die Messungen in verschiedenen darüberliegenden Ebenen erfolgen. Wesentliche Ergebnisse dieser Messserie sind radiale zeitgemittelte Profile für den Gasgehalt und die Gasgeschwindigkeit sowie zeit- und querschnittsgemittelte Blasengrößenverteilungen. Außerdem liegen blasengrößen- und ortsaufgelöste Gasgehaltsdaten vor. Wie bereits bei früheren Versuchsserien wurden auch in diesem Fall die Strömungsformen analysiert, wobei die Klassifizierung anhand der Blasengröße erfolgte. Ein wesentlicher Bestandteil dieser neuen Luft/Wasser-Versuche war die Qualitäts- und Plausibilitätsprüfung der Messdaten. Es konnte festgestellt werden, dass die Daten einen eindeutigen, widerspruchsfreien Trend bzgl. ihrer Entwicklung mit zunehmendem Abstand von der Gaseinspeisung aufweisen. Zur Plausibilitätsprüfung wurden Vergleiche des Gasgehaltsverlaufes über der Rohrhöhe mit theoretisch zu erwartenden Kurven durchgeführt. Zusätzlich zu diesen Ergebnissen enthält der Bericht eine Einschätzung des Einflusses des Bohrungsdurchmessers an der Gaseinspeisung auf die sich einstellende Strömung.

Direct Contact Condensation between steam and water as well as bubble entrainment below the water surface play an important role in different accident scenarios for light water reactors. One example is the emergency core cooling water injection into a two-phase mixture. It has to be considered for example to evaluate potential pressurized thermal shock phenomena. This report documents experiments conducted in flat basin inside the TOPFLOW pressure chamber aiming on the generation of a database useful for CFD model development and validation. It comprises 3 different setups: condensation at a stratified flow of sub-cooled water, condensation at a sub-cooled water jet and a combination of both phenomena with steam bubble entrainment. The documentation includes all details on the experimental set up, on experimental conditions (experimental matrices), on the conduction of the experiments, on measuring techniques used and on data evaluation procedures. In addition, selected results are presented.

Counter-Current Flow Limitation (CCFL) is of importance for PWR safety analyses in several accident scenarios connected with loss of coolant. Basing on the experiences obtained during a first series of hot leg tests now new experiments on counter-current flow limitation were conducted in the TOPFLOW pressure vessel. The test series comprises air-water tests at 1 and 2 bar as well as steam-water tests at 10, 25 and 50 bar. During the experiments the flow structure was observed along the hot leg model using a high-speed camera and web-cams. In addition pressure was measured at several positions along the horizontal part and the water levels in the reactor-simulator and steam-generator-simulator tanks were determined. This report documents the experimental setup including the description of operational and special measuring techniques, the experimental procedure and the data obtained. From these data flooding curves were obtained basing on the Wallis parameter. The results show a slight shift of the curves in dependency of the pressure. In addition a slight decrease of the slope was found with increasing pressure. Additional investigations concern the effects of hysteresis and the frequencies of liquid slugs. The latter ones show a dependency on pressure and the mass flow rate of the injected water. The data are available for CFD-model development and validation.

Der vorliegende Bericht gibt einen zusammenfassenden Überblick der im Vorhaben erreichten Ergebnisse. Ziel war die Qualifikation von CFD-Methoden für Zweiphasenströmungen mit Phasenüber¬gang. Dafür werden neuartige experimentelle Daten benötigt. Diese können an der TOPFLOW-Anlage des HZDR generiert werden, da die Anlage Experimente in für die Reaktorsicher-heits¬forschung relevanten Skalen und Parametern mit innovativen Messtechniken verbindet. Die experimentellen Arbeiten umfassen Untersuchungen zu Strömungen in vertikalen Rohren mit Hilfe der ultraschnellen Röntgentomographie, zu Strömungen mit und ohne Phasenübergang in einem Testbassin sowie zur Gegenstrombegrenzung in einem Heißstrangmodell. Diese werden im vorliegenden Bericht nur kurz dargestellt, da es zu allen 3 Versuchsserien ausführliche Dokumentationen in separaten Berichten gibt. Ein wichtiges Ergebnis der Arbeiten zur CFD-Qualifizierung ist der Erstellung des Baseline-Modellkonzepts sowie die Erstellung des Baseline-Modells für polydisperse Blasenströmungen. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der Vorhersagefähigkeit von CFD-Codes auf Basis des Zwei- oder Mehr-Fluid-Modells erreicht. Das innovative Generalized Two-Phase Flow Konzept (GENTOP) zielt hingegen auf eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten der Zweiphasen-CFD. In vielen Strömungen treten unterschiedlicher Morphologien der Phasen bzw. Strömungsformen parallel in einer Strömungsdomäne auf. Außerdem gibt es Übergänge zwischen diesen Morphologien. Mit dem GENTOP-Konzept wurde erstmals ein Rahmen geschaffen der die Simulation solcher Strömungen auf konsistente Art und Weise ermöglicht. Spezielle Modellentwicklungen erfolgten mit dem Ziel einer besseren Modellierung des Phasenübergangs.

Die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssighelium erfordern einen hohen technischen Aufwand zu dessen Lagerung und Transfer. Aufgrund der extrem niedrigen Normalsiedetemperatur von 4,2 K ist die Verflüssigung des unter Normbedingungen gasförmigen Heliums sehr energieintensiv. Darüber hinaus besitzt Helium eine sehr niedrige Verdampfungsenthalpie, weshalb bereits geringe Wärmeeinträge signifikante Verdampfungsverluste verursachen. Infolge der räumlichen Trennung von Heliumverflüssigungsanlagen und Verbrauchern ist ein Flüssigheliumtransfer in der Regel unvermeidlich. Beim Transfervorgang durch Wärmeeintrag und Druckverluste generiertes Heliumkaltgas muss erneut dem energieaufwändigen Verflüssigungsprozess zugeführt werden, bevor es als Kältemittel verwendet werden kann. Zur Etablierung eines verlustarmen Flüssigheliumtransfers mit einflutigen flexiblen Transferleitungen sind daher die Verdampfungsverluste im Rahmen der thermohydraulischen Optimierung zu reduzieren. Die Optimierung erfolgt dabei durch die Kopplung von systematischen Messungen mit thermohydraulischen Berechnungen. Untersuchungen mit instrumentierten Versuchstransferleitungen erfolgen an einem an der Heliumverflüssigungsanlage der Technischen Universität Dresden neu eingerichteten Versuchsstand. Dabei stellt sich heraus, dass der Gesamtdruckverlust vorwiegend durch das im flexiblen Abschnitt eingesetzte Wellrohr verursacht wird. Mittels eines gesonderten Messaufbaus werden verschiedene Wellrohrtypen hinsichtlich der resultierenden Reibungsdruckverluste untersucht und eine verlustarme Wellrohrgeometrie identifiziert. Neben den Druckverlusten wird auch der Wärmeeintrag durch Modifikationen des Isolationsaufbaus reduziert. Im Zuge der thermohydraulischen Optimierung vermindern sich die Verdampfungsverluste, wodurch die pro Zeiteinheit in der Transportkanne deponierte Flüssigheliummenge zunimmt. Zusätzliche Messungen während des Stillstands der Transferleitung liefern Rückschlüsse auf das Verhalten der Transferleitung, wenn kein Flüssighelium transferiert wird. Im Stillstand neigen die betrachteten Transferleitungsgeometrien zu thermisch angetriebenen Druckschwingungen, sogenannten thermoakustischen Oszillationen. Diese beeinflussen die Betriebssicherheit und die Lagergüte des stationären Speichers negativ, weshalb geeignete Methoden zur Dämpfung der thermoakustischen Oszillationen vorgeschlagen werden.

Zweiphasenströmungen sind Strömungen von heterogenen Stoffgemischen, die aus zwei verschiedenen und voneinander getrennten homogenen Materialien, den Phasen, bestehen und bei einer Vielzahl technischer Anwendungen auftreten, wie zum Beispiel in der chemischen Industrie und der Energietechnik. Dort beeinflussen Zweiphasenströmungen maßgeblich die Prozesseffizienz und -sicherheit. Radiometrische Messverfahren bieten aufgrund ihrer Nicht-invasivität und dem hohen Durchdringungsvermögen die Möglichkeit, diese Strömungen zu visualisieren sowie deren Parameter zur Charakterisierung zu bestimmen. Die quantitativ hoch-genaue Parameterbestimmung kann dabei durch einige Aspekte erschwert werden, die bisher nicht durch Standardalgorithmen berücksichtigt werden können. Bei der Bestimmung von zeitgemittelten Phasenanteilen durch densitometrische und tomo-graphische Messungen kann bei geringen Zählraten die dynamische Verzerrung auftreten, die systematisch zu einer Verfälschung der zu bestimmenden Phasenanteile führt. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Verfahren des korrekten Mittelns kann die dynamische Verzerrung voll-ständig korrigiert werden. Bei der Anwendung des Verfahrens des korrekten Mittelns müssen schlecht konditionierte lineare Gleichungssysteme gelöst werden. Durch geeignete Regularisierungsverfahren lassen sich die Abweichungen vom Mittelwert bei ausreichender Zählratenstatistik beliebig stark verringern. Der Ansatz des Verfahrens des korrekten Mittelns kann bei densitometrischen Messungen von Gas-Flüssigkeits-Strömungen genutzt werden, um auf Basis der Gasgehalts-Wahrscheinlichkeitsdichte das Strömungsregime bei geringen Zähl-raten zu ermitteln. Die Röntgencomputertomographie ermöglicht die Bestimmung von räumlich und zeitlich aufgelösten Phasenverteilungen. Durch Strahlaufhärtung, Streustrahlung und geometrische Verzerrungen können die rekonstruierten Bilder Artefakte enthalten, die die Phasenanteile signifikant verfälschen. Streustrahlung und Strahlaufhärtung können beim ultraschnellen Elektronenstrahl-Röntgencomputertomographen ROFEX durch geeignete Normierungen mit Referenzmessdaten erheblich verringert werden. Weitere Reduktionen der Streustrahlungs-artefakte lassen sich durch Kollimation und einer strahlwegbasierten Vorwärtssimulation der Streustrahlung in der Bildebene erreichen. Durch äußere Einflüsse kann es beim ROFEX zu unerwünschten Ablenkungen des freien Elektronenstrahls kommen, was zu Verzerrungen in den Bildern führt. Die Korrektur kann mithilfe eines iterativen Algorithmus erfolgen, der auf Basis der Schärfe der Bilddaten den Pfad des Elektronenstrahls schätzt und somit die exakte Strahlweggeometrie für die Bildrekonstruktion ermittelt. / Two-phase flows are flows of heterogeneous material mixtures consisting of two different and separated homogeneous materials, the phases, which occur in many technical applications, such as in the chemical industry and energy technology. There, two-phase flows have a significant influence on process efficiency and safety. Due to their non-invasiveness and high penetration capability, radiometric measurement methods offer the possibility of visualizing these flows and determining their parameters for characterization. The quantitative high-precision determination of parameters is hampered by some aspects that are not taken into account by standard algorithms. When determining time-averaged phase fractions by densitometric and tomographic measurements, the dynamic bias error can occur at low count rates, which systematically leads to a falsification of the phase fractions to be determined. With the correct averaging method developed in this thesis, the dynamic bias error can be completely corrected. When applying the correct averaging method, ill-conditioned linear equation systems have to be solved. By suitable regularization methods, the deviations from the exact mean value can be reduced arbitrarily strongly with sufficient count rate statistics. The approach of the correct averaging method can be used for densitometric measurements of gas-liquid flows to determine the flow regime at low count rates on the basis of the gas fraction probability density. X-ray computed tomography enables the determination of spatially and temporally resolved phase distributions. The reconstructed images can contain artifacts due to beam hardening, scattered radiation and geometric distortions, which significantly falsify the phase fractions. In the ROFEX ultrafast electron beam X-ray computer tomography system, scattered radiation and beam hardening can be significantly reduced by suitable normalization with reference measurement data. Further reductions of scatter artifacts can be achieved by collimation and ray-tracking based forward simulation of scattered radiation in the image plane. Due to external influences around the ROFEX, undesired deflections of the free electron beam can occur, which leads to distortions in the images. The correction can be performed using an iterative algorithm that estimates the path of the electron beam based on the sharpness of the image data and thus determines the exact beam path geometry for the image reconstruction.