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.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Stand der Wissenschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Gegenstand und Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Helium als Kälteträger 6 2.1 Grundlegende Stoffeigenschaften von Helium . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Vorkommen, Gewinnung und Verwendung von Helium . . . . . . . . . . . 7 2.3 Bereitstellung von Flüssighelium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 Aufbau einer flexiblen Transferleitung für Flüssighelium . . . . . . . . . . . 12 3 Berechnungsgrundlagen 14 3.1 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.1 Gesamtdruckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.2 Reibungsdruckverlust im Glattrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.3 Reibungsdruckverlust im Rohr mit parallelen Wellen . . . . . . . . 15 3.1.4 Zweiphasenmultiplikator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.5 Druckverlust durch Höhenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.6 Beschleunigungsdruckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.7 Druckverlust durch Einzelwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 Gesamtwärmeeintrag der Transferleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3 Lokaler Wärmestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.1 Strahlungswärmestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.2 Wärmetransport durch die MLI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3.3 Wärmetransport durch die Rohrwand . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3.4 Wärmetransport entlang der Konstruktionselemente . . . . . . . . 25 3.3.5 Konvektiver Wärmeübergang bei einphasiger Strömung . . . . . . . 25 3.3.6 Wärmeübergang beim Sieden einer erzwungenen Strömung . . . . 26 3.4 Thermoakustische Oszillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4.1 Definition und Entstehung einer thermoakustischen Oszillation . . . 28 3.4.2 Abschätzung von Amplitude und Frequenz . . . . . . . . . . . . . 31 4 Messaufbau und Versuchsdurchführung 34 4.1 Charakterisierung der Transferleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.3 Untersuchte Transferleitungskonfigurationen . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Druckverlust in parallel gewellten Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.3 Untersuchte Wellrohrgeometrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3 Messmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.2 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.3 Volumenstrommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.4 Wägeeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.5 Supraleitende Füllstandssonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.6 Datenaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Thermohydraulisches Berechnungsmodell 44 5.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.2 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.1 Wärmeeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3.3 Transferrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6 Ergebnisse der messtechnischen Untersuchung 59 6.1 Wärmeeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.3 Austrittsdampfgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.4 Transferrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.5 Einkühl- und Aufwärmverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.6 Schwingungsneigung der Transferleitung im Stillstand . . . . . . . . . .72 6.6.1 Auftreten thermoakustischer Oszillationen . . . . . . . . . . . . . . 72 6.6.2 Ermittlung des Temperaturprofils . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.6.3 Berechnung von Druckamplitude und Frequenz . . . . . . . . . . . 76 6.6.4 Resultierender Wärmeeintrag in den Heliumspeicher . . . . . . . . 79 6.6.5 Dämpfung thermoakustischer Oszillationen . . . . . . . . . . . . . 79 6.7 Reibungsdruckverlust in parallel gewellten Rohren . . . . . . . . . . . . 81 7 Design- und Anwendungsempfehlungen 87 8 Zusammenfassung 91 Literatur 94 Anhang 100 A Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 1 . . 100 B Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 2 . . 101 C Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 3 . . 103 D Messwerte des Kannendrucks für alle untersuchten Transferleitungen . . . 105 E Reibungsbeiwerte der Wellrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 F Berechnung des Wärmeeintrags durch thermoakustische Oszillationen . . . 107

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.

Die Dissertation widmet sich der fortgeschrittenen experimentellen Analyse von dispersen Zweiphasenströmungen mittels ultraschneller Röntgentomographie. Hintergrund dieser Arbeit war die Zielsetzung, die Entwicklung und Validierung von Methoden der numerischen Strömungsberechnung (Computational Fluid Dynamics - CFD) durch experimentelle Studien zu unterstützen. Dazu wurden Blasenströmungen in einem Rohr mit einem weiten Bereich von Leerrohrgeschwindigkeiten und verschiedenen Hauptströmungsrichtungen untersucht. Dieses generische, experimentelle Szenario einer sich in einem vertikalen Kanal entwickelnden Zweiphasenströmung stellt einen anerkannten Benchmark-Fall für die numerische Strömungssimulation dar und ist darüber hinaus für viele praktische Anwendungen in der Energie- und Verfahrenstechnik von Bedeutung. Mit Anwendung der ultraschnellen Röntgentomographie war es im Rahmen dieser Arbeit erstmalig möglich, Zweiphasenströmungen in einer bisher nicht erreichbaren Detailtreue bildgebend zu erfassen. Allerdings bedarf es im Rahmen der angestrebten Validierung von numerischen Berechnungswerkzeugen für Zweiphasenströmungen einer möglichst genauen Extraktion quantitativer strömungsmechanischer Parameter. Während die Bestimmung von zeit- bzw. raumintegralen Gasgehaltsverteilungen mit Mittelungsverfahren nach dem Stand von Wissenschaft und Technik verhältnismäßig unkritisch ist, wurde im Rahmen dieser Arbeit der Fokus auf die nur mit der schnellen Röntgentomographie mögliche Bestimmung von Blasengrößen und Blasengeschwindigkeitsverteilungen aus tomographischen Bilddaten gelegt. Dazu wurden neue Bildauswerteverfahren entwickelt, validiert und angewendet.

Röntgenradioskopische Bildgebungsverfahren ermöglichen es, ein besseres Verständnis der zweiphasigen Strömungsphänomene und der Prozesse der Mikrostrukturentstehung während der Erstarrung in Metallschmelzen intuitiv zu gewinnen, da diese Verfahren die innere Gestalt der sonst undurchsichtigen Flüssigkeiten abbilden. In der vorliegenden Arbeit wurden dazu Untersuchungen zu zwei unterschiedlichen Teilaufgaben durchgeführt. Zum einen wurde die Dichteverteilung in dünnen Erstarrungsproben in Echtzeit und in-situ mit räumlichen Auflösungen von wenigen Mikrometern untersucht, um den Einfluss natürlicher und erzwungener Schmelzenströmungen auf die Erstarrung einer binären Gallium-Indium-Metalllegierung experimentell nachzuweisen. Zum anderen wurden Gasblasenströmungen in nichttransparenten Metallschmelzen nicht-invasiv und in-situ visualisiert und charakterisiert, um Kenntnis der Eigenschaften und der Bewegung von Argon-Einzelblasen und Blasenketten in flüssigem Gallium-Indium-Zinn ohne und unter dem Einfluss eines externen magnetischen Feldes zu erlangen. Diese experimentellen Untersuchungen wurden mit einem Mikrofokus-Röntgenbildgebungssystem durchgeführt. Die Implementation angepasster Bildverarbeitungs-algorithmen ermöglichte die präzise quantitative Vermessung der dendritischen Strukturparameter und der Wachstumsgeschwindigkeiten. Die Strömungsgeschwindigkeiten in der Schmelze vor der Erstarrungsfront wurden durch Berechnung des optischen Flusses in den Röntgenbildsequenzen vermessen. Thermosolutale Konvektionsbewegungen und der Einfluss magnetisch angetriebener erzwungener Schmelzenströmung auf die Gefügeentstehung konnten durch die Röntgenvisualisierung nachgewiesen werden. Die lokale Akkumulation angereicherter Schmelze, das Aufschmelzen von Dendritenarmen und das Entstehen von Entmischungskanälen im Zweiphasengebiet hinter der Erstarrungsfront wurden unmittelbar beobachtet. Für die Untersuchung des Verhaltens von Gasblasen in einer schmalen Flüssigmetall-Blasensäule wurde das Röntgenbildgebungssystem modifiziert. Das ermöglichte die Vermessung der Gasblasengrößen, der Trajektorien und der Geschwindigkeiten zur Charakterisierung der Blasenströmungen. Die Abhängigkeit der Gasblasengrößen von der Benetzung der Mündungsöffnung wurde gezeigt. Vergleichsexperimente im Gas-Wasser-System verdeutlichten die signifikanten Unterschiede der zweiphasigen Gas-Flüssigmetall-Strömungen. / X-ray radioscopic imaging methods enables one to intuitively gain a better understanding of the two-phase flow phenomena and the processes of microstructure formation during solidification in molten metals, as these methods depict the internal shape of the otherwise opaque liquids. In the present work, investigations were carried out on two different subtasks. On one hand, the density distribution in thin solidification samples was investigated in real time and in-situ with a spatial resolution of a few micrometers in order to demonstrate experimentally the influence of natural and forced melt flow on the solidification of a binary gallium-indium (GaIn) metal alloy. On the other hand, gas bubble flows in non-transparent metal melts were visualized and characterized non-invasively and in-situ in order to gain knowledge of the properties and the movement of individual argon bubbles and bubble chains in liquid gallium-indium-tin (GaInSn) without and under the influence of an external magnetic field. These experimental studies were performed with a microfocus X-ray imaging system. The implementation of adapted image processing algorithms enabled the precise quantitative measurement of the dendritic structure parameters and the growth rates. The flow velocities in the melt in front of the solidification front were measured by calculating the optical flow in the X-ray image sequences. Thermosolutal convection and the influence of magnetically driven forced melt flow on the formation of the structure could be demonstrated by the X-ray visualization. The local accumulation of enriched melt, the melting of dendrite arms and the emergence of segregation channels in the two-phase area behind the solidification front were observed directly. The X-ray imaging system was modified to study the behavior of gas bubbles in a narrow column of liquid metal bubbles. This made it possible to measure the gas bubble sizes, the trajectories and the velocities to characterize the bubble flows. The dependence of the gas bubble sizes on the wetting of the nozzle opening was shown. Comparative experiments in the gas-water system clearly revealed the significant differences in two-phase gas-liquid metal flows.

Gas-liquid two-phase flows occur in many industrial applications and apparatuses. The design and optimization of such apparatuses and processes requires the numerical simulation of two-phase flows. However, two-phase flow simulations are still a challenging task, especially for industrial scales. Here, the simulation of large flow domains and high Reynolds number flows require a reduction of the resolved time-scales and length-scales by a high level of modeling to decrease the computational effort. Therefore, physics-based models are needed to depict the complex transport processes between the phases. Thus, two-phase flows are the object of ongoing research. Up to now, the majority of closure models for turbulence, interfacial forces or bubble breakup and coalescence were validated against experimental data derived from experiments in simple flow channel geometries like straight pipes. Their application for the simulation of two-phase flows with three-dimensional flow structures like e.g. recirculating areas, flow separation or strong velocity gradients requires constant experimental validation and further development. Hence, improved experimental methods are required for investigations of gas-liquid two-phase flows to provide reliable data for further development and validation of numerical flow simulation models. Therefore, experiments were performed in a constricted pipe under bubbly two-phase flow conditions. Three-dimensional flow structures were created by two types of flow constrictions for a variety of gas and liquid superficial velocities up to jg = 0.1400 m⋅s-1 and jl = 1.6110 m⋅s-1. The flow fields upstream and downstream of the flow constrictions were studied using ultrafast X-ray tomography and hot-film anemometry to obtain cross-sectional phase distribution, bubble characteristics and liquid velocity. The analysis of the ultrafast X-ray tomography image data was significantly improved by development of a histogram-based gas holdup calculation. Furthermore, the spatial dependence of the axial image plane distance was studied to improve the determination of axial bubble velocities and, thus, bubble sizes. The experimental method was advanced by simultaneous application of ultrafast X-ray tomography and hot-film anemometry. Eventually, the experimental data was compared to state-of-the-art Euler/Euler two-fluid simulations. The simulations were performed in the framework of a parallel doctoral thesis in the Experimental Thermal Fluid Dynamics department at the Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf by Ms. Sibel Tas-Koehler following the baseline approach. The results were compared in terms of the phase distribution, bubble sizes and gas velocity for two operating conditions using the homogeneous multiple size group model. / Zweiphasenströmungen aus Gasen und Flüssigkeiten treten in vielen industriellen Anwendungen und Apparaten auf. Um einen sicheren, zuverlässigen und optimalen Betrieb einzelner Komponenten und gesamter Anlagen zu gewährleisten, sind die Strömungen Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Numerische Simulationen sind ein unverzichtbares Instrument, um Prozesse unter diesen Aspekten zu bewerten. Die Simulation von Zweiphasenströmungen, insbesondere im industriellen Maßstab, ist jedoch nach wie vor eine anspruchsvolle Aufgabe. Um den Rechenaufwand zu verringern und die Simulation von großen Strömungsgebieten und Strömungen mit hohen Reynoldszahlen zu ermöglichen, ist ein hohes Maß an Modellierung notwendig. Gleichzeitig wurden die meisten Schließungsmodelle zur Beschreibung von Turbulenz, Grenzflächenkräften oder Blasenzerfall und -koaleszenz für einfache Geometrien wie beispielsweise gerade Rohre entwickelt. Die Anwendung dieser Modelle für die Simulation von Zweiphasenströmungen mit dreidimensionalen Strömungsstrukturen, wie z.B. Rezirkulationsgebieten, Strömungsablösungen oder starken Geschwindigkeitsgradienten, erfordert eine ständige experimentelle Validierung und Weiterentwicklung. Dies wiederum erfordert eine immer höhere Auflösung der eingesetzten Messsysteme und steigende Qualität der experimentellen Daten. Um verlässliche Daten für die Weiterentwicklung und Validierung von Modellen für die numerische Strömungssimulation zu erhalten sind daher verbesserte experimentelle Methoden zur Untersuchung von Gas-Flüssig-Strömungen erforderlich. Aus diesem Grund wurden Experimente an einer Blasenströmung in einem Rohr mit einer Strömungsverengung durchgeführt. Zwei Arten von Verengungen wurden genutzt, um dreidimensionale Strömungsstrukturen für eine Vielzahl von Betriebsbedingungen zu erzeugen. Diese sind durch Gas- und Flüssigkeitsleerrohrgeschwindigkeiten bis zu jg = 0.1400 m⋅s-1 und jl = 1.6110 m⋅s-1 definiert. Um die Phasenverteilung im Querschnitt der Strömung, Blaseneigenschaften und die Flüssigphasengeschwindigkeit stromauf- und -abwärts der Verengung zu ermittelt, wurde die Strömung mit Hilfe der ultraschnellen Röntgentomographie und Heißfilm-Anemometrie untersucht. Die Datenanalyse für die Bilddaten der ultraschnellen Röntgentomographie wurde durch die Entwicklung einer Histogramm-basierten Gasgehaltsberechnung erheblich verbessert. Um die Bestimmung der axialen Blasengeschwindigkeiten und damit der Blasengrößen zu verbessern, wurde außerdem die räumliche Abhängigkeit des axialen Bildebenenabstands untersucht. Die experimentellen Methoden wurden durch die gleichzeitige Anwendung von ultraschneller Röntgentomographie und Heißfilm-Anemometrie weiterentwickelt. Die experimentellen Daten wurden mit dem Stand der Technik von Euler/Euler-Zweiphasen-Simulationen verglichen. Die Simulationen wurden im Rahmen eines parallelen Promotionsvorhabens in der Abteilung Experimentelle Thermofluiddynamik am Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf von Frau Sibel Tas-Köhler durchgeführt und folgten der Baseline-Modell Strategie. Die Ergebnisse wurden unter Verwendung des homogenen Modells mehrerer Größenklassen bezüglich der Phasenverteilung, der Blasengrößen und der Gasgeschwindigkeit für zwei Betriebsbedingungen verglichen.

Gas-liquid two-phase flows are encountered in different industrial applications such as, chemical reactors, wastewater treatment, oil and gas exploration and nuclear reactors. In nuclear reactors, boiling two-phase flows occur under both normal and accident conditions. For the design and safety operation of nuclear reactors, Computational Fluid Dynamics (CFD) based on the Euler−Euler framework has become a popular tool. However, accurate CFD prediction for a fuel assembly geometry is still a challenge. The reason is that the accuracy of two-phase flow simulations is highly dependent on adequate modelling of phase interactions including interfacial forces (i.e. drag, lift, wall lubrication, turbulent dispersion and virtual mass), bubble-induced turbulence (BIT) and bubble breakup/coalescence. Through the Euler−Euler framework, modelling of these phase interactions is provided by different approaches. These approaches include closure equations, most of which have been determined empirically. These closures are important for the accurate prediction of mean flow profiles, including void fraction and phase velocity distributions. A variety of closure models has been proposed by different researchers. However, it is difficult to differentiate them and make an appropriate choice for a particular problem without knowing their predictive properties in detail. While an extensive number of models have been developed and have meanwhile been well validated for simple pipe and column geometries, there is yet limited analysis and qualification for more complex three-dimensional flow domains. One reason for this is the lack of suitable experimental validation data. In addition, it is important to mention that most of the available models were generally obtained considering laminar or low turbulence conditions. Therefore, it is necessary to further investigate the modelling capabilities for two-phase flows with flow complexity/high turbulence as they occur in nuclear reactors. For this purpose, additional validations are required in the CFD modelling of two-phase flows. However, studies on the capabilities of two-phase flow models directly for rod bundles are very complicated and time-consuming. Hence, a capability analysis of the models for the three main phenomena, i.e. breakup/coalescence, drag and turbulence, was first carried out for the case of a semi-obstructed pipe under adiabatic flow conditions. The results were validated using the experimental data obtained by Neumann-Kipping (2022) on the void fraction, mean bubble diameter, bubble size distribution, liquid velocity and gas velocity for two different turbulence conditions. Subsequently, experiments were conducted in a 3 x 3 rod bundle with a spacer and vanes using X-ray computed tomography (CT), which provides high quality void data without disturbing the flow. The effects of different mass and heat fluxes on the void fraction and its distribution downstream of the spacer were analyzed. In addition, the effects of different vane angles on the distribution of the void fraction were discussed. Furthermore, an experimental database was obtained in a rod bundle with a spacer under different flow conditions to validate the numerical modelling. Finally, the improved CFD model obtained from the semi-obstructed pipe geometry was applied to the 3 x 3 rod bundle geometry under two different turbulence conditions. The numerical results were compared with the X-ray CT data on the void fraction. / Gas-Flüssig-Zweiphasenströmungen kommen in verschiedenen industriellen Anwendungen wie Blasensäulen, Rührkesseln und Kernreaktoren vor. In Kernreaktoren treten siedende Zweiphasenströmungen sowohl unter Normal- als auch unter Störfallbedingungen auf. Für die Auslegung und den sicheren Betrieb von Kernreaktoren ist die numerische Strömungsmechanik (engl. Computational Fluid Dynamics, CFD) auf der Grundlage des Euler−Euler-Konzepts zu einem wichtigen Instrument geworden. Eine genaue CFD-Vorhersage für eine Brennelementgeometrie ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung. Der Grund dafür ist, dass die Genauigkeit von Zweiphasenströmungssimulationen in hohem Maße von einer genauen Modellierung der Phasenwechselwirkungen abhängt, einschließlich der Grenzflächenkräfte (d. h. Widerstand, Lift, Wand, turbulente Dispersion und virtuelle Masse), der blaseninduzierten Turbulenz (BIT) und des Aufbrechens/Koaleszierens von Blasen. Durch den Euler−Euler-Rahmen wird die Modellierung dieser Phasenwechselwirkungen durch verschiedene Ansätze ermöglicht. Zu diesen Ansätzen gehören Schließungsgleichungen, von denen die meisten empirisch ermittelt wurden. Diese Schließungsgleichungen sind wichtig für die genaue Vorhersage von mittleren Strömungsprofilen, einschließlich Gasgehalt und Phasengeschwindigkeitsverteilungen. Es gibt eine Vielzahl von Schließungsmodellen, die von verschiedenen Forschern innerhalb ihrer experimentellen Bereiche vorgeschlagen wurden. Es ist jedoch schwierig, sie zu unterscheiden und eine geeignete Wahl für ein bestimmtes Problem zu treffen, ohne ihre Vorhersageeigenschaften im Detail zu kennen. Während für einfache Rohr- und Säulengeometrien eine große Anzahl von Modellen entwickelt und inzwischen gut validiert wurde, gibt es für komplexere dreidimensionale Strömungsgebiete noch wenig Analyse und Qualifizierung. Ein Grund dafür ist der Mangel an geeigneten experimentellen Validierungsdaten. Darüber hinaus ist es wichtig zu erwähnen, dass die meisten der verfügbaren Modelle im Allgemeinen unter laminaren oder geringen Turbulenzbedingungen erstellt wurden. Daher ist es notwendig, die Modellierungsmöglichkeiten für Zweiphasenströmungen mit komplexer Strömung/hoher Turbulenz, wie sie in Kernreaktoren auftreten, weiter zu untersuchen. Zu diesem Zweck sind zusätzliche Validierungen bei der CFD-Modellierung von Zweiphasenströmungen erforderlich. Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit von Zweiphasenströmungsmodellen direkt für Stabbündel sind jedoch sehr kompliziert und zeitaufwändig. Daher wurde zunächst eine Fähigkeitsanalyse der Modelle für die drei Hauptphänomene, d. h. Aufbrechen/Koaleszenz, Widerstand und Turbulenz, für den Fall eines halbgeschlossenen Rohrs unter adiabatischen Strömungsbedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden anhand der von Neumann-Kipping (2022) gewonnenen experimentellen Daten über den Gasgehalt, den mittleren Blasendurchmesser, die Blasengrößenverteilung, die Flüssigkeitsgeschwindigkeit und die Gasgeschwindigkeit für zwei verschiedene Turbulenzbedingungen validiert. Anschließend wurden Experimente in einem 3 x 3-Stabbündel mit einem Abstandshalter und Fahnen unter Verwendung der Röntgen-Computertomographie (CT) durchgeführt, die qualitativ hochwertige Gasgehaltdaten liefert, ohne die Strömung zu stören. Die Auswirkungen unterschiedlicher Massen- und Wärmeströme auf den Gasgehalt und seine Verteilung stromabwärts des Abstandshalters wurden analysiert. Außerdem wurden die Auswirkungen verschiedener Fahnenwinkel auf die Verteilung des Gasgehaltes diskutiert. Darüber hinaus wurde eine experimentelle Datenbasis in einem Stabbündel mit einem Abstandshalter unter verschiedenen Strömungsbedingungen gewonnen, um die numerische Modellierung zu validieren. Schließlich wurde das verbesserte CFD-Modell, das aus der halbgeschlossenen Rohrgeometrie gewonnen wurde, auf die 3 x 3 Stabbündelgeometrie bei zwei verschiedenen Turbulenzbedingungen angewendet. Die numerischen Ergebnisse wurden mit den Röntgen-CT-Daten für den Gasgehalt verglichen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Stabilitätsuntersuchung von offenen Naturumlaufsystemen als Grundlage zur Verwendung als passives Wärmeabfuhrsystem im Sicherheitsbehälter eines Siedewasserreaktors. Der Betrieb eines solchen Systems im Naturumlauf basiert einzig auf der Ausbildung eines Dichtegradienten, der infolge einer freien Konvektion zu einer Strömung innerhalb dieses Systems führt. Dieser Dichtegradient im Arbeitsfluid wird durch die Wärmezu- und -abfuhr hervorgerufen. Der sich ausbildende und kontinuierlich steigende Massenstrom geht bei Erreichen der Sättigungstemperatur in Massenstromoszillationen, den sogenannten Zweiphasenströmungsinstabilitäten, über. Mit steigender Temperatur des Arbeitsfluides kehrt der Massenstrom zu einer stabilen Strömung und kontinuierlichen Wärmeabfuhr zurück, jedoch als Zweiphasenströmung. Es wurde an der Technischen Universität Dresden eine Versuchsanlage errichtet, die den Gebäudekondensator des KERENA\textsuperscript{TM}(ehemals SWR1000)-Reaktorkonzepts nachstellt, um die Anlagen- und die Betriebscharakteristik hinsichtlich geometrischer Einflüsse zu bewerten. Mit Hilfe hochauflösender Temperatur und Volumendampfgehaltsmessung wurde festgestellt, dass bei parallel angeordneten Steigrohren die durch Kondensationsschläge hervorgerufenen Druckschläge stark reduziert oder sogar unterbunden werden konnten. So fungiert eines der Steigrohre als Puffer für rückströmendes unterkühltes Fluid aus der Wärmesenke in dem anderen. Zusammengefasst wurde zudem die Betriebscharakteristik in Stabilitätskarten, die die stabile Einphasenströmung, die instabile Zweiphasenströmung und die stabile Zweiphasenströmung eindeutig voneinander abgrenzt. Die Vorhersage der Stabilitätsgrenze zwischen instabiler und stabiler Zweiphasenströmung durch einen analytischen Ansatz ist gelungen. Das zugrundeliegende Modell für ein solches offenes Naturumlaufsystem wurde durch die Methode der gewichteten Residuen und die Finite-Volumen-Methode gelöst und mit Hilfe der Proper Orthogonal Decomposition auf ein Modell niedriger Ordnung reduziert (ROM). Vergleichsrechnungen mit einem entwickelten Abbild des Versuchsstandes GENEVA unter Verwendung des bereits validierten Systemcodes ATHLET der \textit{Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH} bestätigten die berechneten Betriebszustände und letztendlich die durch die lineare Stabilitätsuntersuchung ermittelte Stabilitätsgrenze. Eben dieses ROM bildet die Zweiphasenströmung mittels des \textit{Drift-flux mixture} Modells ab, welches die relativen Geschwindigkeiten jeder Phase berücksichtigt. Die nichtlineare Stabilitätsuntersuchung dieses ROMs ergab an ausgewählten Referenzbetriebspunkten superkritische Hopfbifurkationen, die nur durch die Detektion aufkommender stabiler Grenzzyklen während der numerischen Integration nachgewiesen werden konnten. Parameterstudien zur Stabilitätsanalyse können durch dieses ROMs unter erheblicher Reduktion von Rechenaufwand durchgeführt werden.

The majority of technical separation processes for fluid mixtures utilize the principle of rectification. If a two-phase mixture is fed into the column, possibly undesirable flow morphologies or severe droplet carry-over may occur, which detrimentally affect separation efficiency and equipment integrity. Currently, the two-phase flow behavior in feed pipes is hardly predicable and mostly based on empirical or heuristic methods, which do not properly account for a broad range of possible fluid properties and plant dimensions. As a consequence, costly safety margins are applied. Feed pipes to separation columns are often characterized by horizontal inlet nozzles, small length-to-diameter ratios and complex routing, involving elbows or bends. The pipe lengths are too short to enable the two-phase flow to fully develop, which thus, enters the column with unknown flow morphology. Since developing flows have rarely been studied, today’s engineering practice relies on existing predictive methods for fully developed two-phase flows. Graphical methods can hardly represent gradual transitions between flow regimes. Analytical models provide only simplified flow representations of the two-phase flow that have not yet been qualified for developing pipe flow. In this work, a comprehensive experimental database of horizontal water-air flows in two test sections with nominal pipe diameters of D = 50 mm and D = 200 mm and feed pipe lengths in the range 10 < L/D < 75 was established. This way, the data cover developing pipe flows with entrance lengths typical for two-phase feeds of separation columns and more developed flows that are comparable with the extensively studied reference system water-air. A particular focus was put on the effect of pipe bends on the flow morphology up- and downstream. The flow morphology was captured using imaging wire-mesh sensors. A 4D fuzzy algorithm was applied to objectively identify the flow two-phase morphologies. Based on their fuzzy representation, the flow morphologies were classified and a novel 2D visualization technique is proposed to discuss the flow development along the feed pipes. Undesired flow morphologies (intermittent flow and entrainment) during the operation of two-phase feeds are hardly predictable by conventional design tools. The inception of intermittent flows was analyzed using the experimental data. Consequently, the inception criteria based on the required liquid levels for fully developed intermittent flows were adapted for short entrance lengths. The characteristic dynamics of flow morphologies that are known to cause the onset of entrainment were analyzed. Based on wave frequencies, a predictive criterion for the susceptibility of wavy flows for the onset of entrainment is introduced and applied to straight feed pipes and horizontal 90° bends. Among the dozens available, 66 reduced-order models for the prediction of the void fraction were tested for straight feed pipes and horizontal 90° pipe bends. Thereof, the ones most suitable for variable operating conditions and pipe geometries were identified and adapted. Complementary 3D simulations were performed to verify the applicability of numerical codes (VoF, AIAD) for flows with free interfaces. The flow morphologies were successfully reproduced at macroscopic scale, however, the simulation results rank behind reduced-order models considering their quantitative predicting capabilities.:Abstract II Kurzfassung IV Acknowledgement VI Nomenclature VIII Table of Contents XIII 1 Introduction 1 1.1 Thermal separation in view of the 21st century 1 1.2 Engineering and design of rectification plants 2 1.3 Outline of the thesis 4 2 State of the art 5 2.1 Two-phase feeds in thermal separation 5 2.1.1 Feed condition as adjustable parameter 5 2.1.2 Thermohydraulic optimization 8 2.1.3 Hydrodynamic conditioning 9 2.2 Hydrodynamics of two-phase feeds 11 2.2.1 Flow morphologies in feed pipes 11 2.2.2 Droplet entrainment 14 2.2.3 Flow regime maps 17 2.2.4 Consequences for two-phase feeds 19 2.3 Modelling of two-phase feeds 23 2.3.1 Basic definitions 23 2.3.2 Fundamentals of the two-fluid model 25 2.3.3 The interfacial level gradient 29 2.3.4 Analytical models 32 2.3.5 CFD simulations for commercial feed pipes 34 2.4 Objectives of this thesis 36 3 Experimental method and algorithms for flow characterization 37 3.1 Experimental setups 37 3.2 Wire-mesh sensors 40 3.3 Experimental procedure 42 3.4 Data processing 44 3.4.1 Fuzzy flow morphology classification 45 3.4.2 Power spectral density 48 3.5 Measurement uncertainty 49 4 Flow morphologies in different feed pipe geometries 53 4.1 Developing two-phase flow in straight pipes 53 4.2 Effect of pipe curvatures on the flow morphology 55 4.3 Morphology recovery 57 4.4 Conclusions 60 5 Prediction of undesirable flow morphologies in feed pipes 61 5.1 Initiation of intermittent flows 61 5.2 Onset of droplet entrainment 62 5.2.1 Vulnerable flow morphologies 62 5.2.2 Derivation of a criterion for onset of entrainment 64 5.2.3 Adjustment of the criterion for the investigated pipe geometries 67 5.3 Conclusions 70 6 Reduced-order modelling of two-phase feeds 71 6.1 Prediction of void fraction 71 6.2 Liquid levels 75 6.3 Conclusions 78 7 CFD modelling of two-phase feeds 79 7.1 Simulation setup 79 7.2 Multiphase models 82 7.3 Comparison with experimental data 83 7.3.1 Straight pipes 83 7.3.2 Horizontal 90° bends 85 7.4 Conclusions 88 8 Summary and recommendations for future work 89 8.1 Summary 89 8.2 Recommendations for future work 91 References 94 List of figures 113 List of tables 118 Appendix i Scientific publications and contributions xxxiii Eidesstattliche Erklärung xxxvii / Die meisten technischen Verfahren zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen beruhen auf dem Prinzip der Rektifikation. Wird ein Zweiphasengemisch in die Trennkolonne eingespeist, können unerwünschte Strömungsmorphologien oder ausgeprägte Tröpfchenverschleppung auftreten, welche sich nachteilig auf die Trennleistung und die Integrität einzelner Anlagenkomponenten auswirken. Derzeit lässt sich das Verhalten solcher Zweiphasenströmungen in Einspeiseleitungen kaum vorhersagen und basiert meist auf empirischen oder heuristischen Methoden, die ein breites Spektrum möglicher Stoffeigenschaften und Anlagendimensionen nicht angemessen berücksichtigen. Infolgedessen müssen kostspielige Sicherheitszuschläge angewendet werden. Einspeiseleitungen von Trennkolonnen sind häufig durch horizontale Eintrittsstutzen, ein geringes Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis und eine komplexe Leitungsführung mit Bögen und anderen Normteilen gekennzeichnet. Typische Rohrlängen sind zu kurz, um eine vollständig entwickelte Zweiphasenströmung auszubilden, welche daher mit unbekannter Strömungs-morphologie in die Trennkolonne eintritt. Da derartige Strömungen jedoch bisher nur selten untersucht wurden, verlässt man sich gegenwärtig in der technischen Praxis auf bestehende Vorhersagemethoden für voll entwickelte Zweiphasenströmungen. Grafische Methoden können jedoch die allmählichen Übergänge zwischen Strömungsformen kaum darstellen. Analytische Modelle liefern nur vereinfachte Näherungswerte der Zweiphasenströmung, die noch nicht für sich entwickelnde Rohrströmung qualifiziert wird. In dieser Arbeit wurde eine umfangreiche experimentelle Datenbasis horizontaler Wasser-Luft-Strömungen in zwei Versuchsstrecken mit Rohrinnendurchmessern von D = 50 mm und D = 200 mm und Einlauflängen im Bereich 10 < L/D < 75 erstellt. Auf diese Weise decken die Daten sowohl sich entwickelnde Rohrströmungen mit typischen Einlauflängen für Einspeiseleitungen ab, als auch weiter (in axialer Richtung) entwickelte Strömungen, die mit dem umfangreich untersuchten Referenzsystem Wasser-Luft vergleichbar sind. Die Auswirkung von Rohrbögen auf die Strömungsmorphologie stromauf- und stromabwärts wurde gezielt untersucht. Die Strömungsmorphologie wurde mit bildgebenden Gittersensoren erfasst. Ein 4D-Fuzzy-Algorithmus wurde zur objektiven Identifizierung der Strömungsmorphologien eingesetzt. Auf Grundlage dieser Fuzzy-Darstellung der Strömung wurden die Strömungsmorphologien klassifiziert, und es wurde eine neuartige 2D-Visualisierungstechnik entworfen, mit der die Strömungsentwicklung entlang der Einspeiseleitungen diskutiert wurde. Unerwünschte Strömungsmorphologien (intermittierende Strömung und Tropfenmitriss) während des Betriebs zweiphasiger Einspeisungen sind mit herkömmlichen Auslegungswerkzeugen kaum vorherzusagen. Das Einsetzen intermittierender Strömungen wurde auf Grundlage der experimentellen Daten analysiert. Daraufhin wurden existierende Kriterien, basierend auf den notwendigen Mindestfüllständen, für das Einsetzen intermittierender Strömungen in Abhängigkeit von den untersuchten Einlauflängen angepasst. Die charakteristische Dynamik von Strömungsmorphologien, die Tropfenmittriss hervorrufen, wurde analysiert. Voraussagemethoden zur Vorhersage der Anfälligkeit welliger Strömungen für das Auftreten von Tropfenmitriss wurden auf der Grundlage von Wellenfrequenzen entwickelt und für gerade Einspeiserohre und horizontale 90°-Bögen angewandt. Von den zahlreichen verfügbaren Modellen zur Vorhersage des Gasanteils wurden 66 Modelle reduzierter Ordnung für gerade Einspeiseleitungen und horizontale 90°-Rohrbögen getestet. Davon wurden die für variable Betriebsbedingungen und Rohrgeometrien am besten geeigneten Modelle ermittelt und angepasst. Komplementäre 3D-Simulationen wurden durchgeführt, um die Anwendbarkeit numerischer Codes (VoF, AIAD) für Strömungen mit freien Grenzflächen zu bestätigen. Die Strömungsmorphologien wurden im makroskopischen Maßstab erfolgreich reproduziert, die Simulationsergebnisse bleiben jedoch hinsichtlich ihrer quantitativen Vorhersagekraft hinter den Modellen reduzierter Ordnung zurück.:Abstract II Kurzfassung IV Acknowledgement VI Nomenclature VIII Table of Contents XIII 1 Introduction 1 1.1 Thermal separation in view of the 21st century 1 1.2 Engineering and design of rectification plants 2 1.3 Outline of the thesis 4 2 State of the art 5 2.1 Two-phase feeds in thermal separation 5 2.1.1 Feed condition as adjustable parameter 5 2.1.2 Thermohydraulic optimization 8 2.1.3 Hydrodynamic conditioning 9 2.2 Hydrodynamics of two-phase feeds 11 2.2.1 Flow morphologies in feed pipes 11 2.2.2 Droplet entrainment 14 2.2.3 Flow regime maps 17 2.2.4 Consequences for two-phase feeds 19 2.3 Modelling of two-phase feeds 23 2.3.1 Basic definitions 23 2.3.2 Fundamentals of the two-fluid model 25 2.3.3 The interfacial level gradient 29 2.3.4 Analytical models 32 2.3.5 CFD simulations for commercial feed pipes 34 2.4 Objectives of this thesis 36 3 Experimental method and algorithms for flow characterization 37 3.1 Experimental setups 37 3.2 Wire-mesh sensors 40 3.3 Experimental procedure 42 3.4 Data processing 44 3.4.1 Fuzzy flow morphology classification 45 3.4.2 Power spectral density 48 3.5 Measurement uncertainty 49 4 Flow morphologies in different feed pipe geometries 53 4.1 Developing two-phase flow in straight pipes 53 4.2 Effect of pipe curvatures on the flow morphology 55 4.3 Morphology recovery 57 4.4 Conclusions 60 5 Prediction of undesirable flow morphologies in feed pipes 61 5.1 Initiation of intermittent flows 61 5.2 Onset of droplet entrainment 62 5.2.1 Vulnerable flow morphologies 62 5.2.2 Derivation of a criterion for onset of entrainment 64 5.2.3 Adjustment of the criterion for the investigated pipe geometries 67 5.3 Conclusions 70 6 Reduced-order modelling of two-phase feeds 71 6.1 Prediction of void fraction 71 6.2 Liquid levels 75 6.3 Conclusions 78 7 CFD modelling of two-phase feeds 79 7.1 Simulation setup 79 7.2 Multiphase models 82 7.3 Comparison with experimental data 83 7.3.1 Straight pipes 83 7.3.2 Horizontal 90° bends 85 7.4 Conclusions 88 8 Summary and recommendations for future work 89 8.1 Summary 89 8.2 Recommendations for future work 91 References 94 List of figures 113 List of tables 118 Appendix i Scientific publications and contributions xxxiii Eidesstattliche Erklärung xxxvii

Liquid film flow is an important flow type in many applications of process engineering. For supporting experiments, theoretical and numerical investigations are required. The present state of the art is to model the liquid film flow with Navier--Stokes-based methods, whereas the lattice Boltzmann method is employed here. The final model has been developed within this treatise by means of a two-phase flow and a heat transfer model, and boundary and initial conditions. All these sub-models have been applied to simple test cases. It could be found that the two-phase model is capable of solving flow phenomena with a large density ratio which has been shown impressively in conjunction with wall boundary conditions. The heat transfer model was tested against spectral method results with a transient non-uniform flow field. It was possible to find optimal parameters for computation. The final model has been applied to steady-state film flow, and showed very good agreement to OpenFOAM simulations. Tests with transient film flow demonstrated that the model is also able to predict these flow phenomena. / Flüssigkeitsfilmströmungen kommen in vielen verfahrenstechnischen Prozessen zum Einsatz. Zur Unterstützung von Experimenten sind theoretische und numerische Untersuchungen nötig. Stand der Technik ist es, Navier--Stokes-basierte Modelle zu verwenden, wohingegen hier die Lattice-Boltzmann-Methode verwendet wird. Das finale Modell wurde unter Verwendung eines Zweiphasen- und eines Wärmeübertragungsmodell entwickelt und geeignete Rand- und Anfangsbedingungen formuliert. Alle Untermodelle wurden anhand einfacher Testfälle überprüft. Es konnte herausgefunden werden, dass das Zweiphasenmodell Strömungen großer Dichteunterschiede rechnen kann, was eindrucksvoll im Zusammenhang mit Wandrandbedingungen gezeigt wurde. Das Wärmeübertragungsmodell wurde gegen eine Spektrallösung anhand eines transienten und nichtuniformen Strömungsproblemes getestet. Stationäre Filmströmungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit OpenFOAM-Lösungen und instationäre Berechungen bewiesen, dass das Model auch solche Strömungen abbilden kann.