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.

There exist several different numerical models for predicting bubble coalescence and breakup using computational fluid dynamics (CFD). Various combinations of these models will be employed to model a bioreactor process in a stirred reactor tank. A mass transfer coefficient, Kla, has been calculated and compared to those found experimentally by Thermo-Fisher Scientific, to validate the accuracy of currently available mathematical models for population balance equations. These include various combinations of bubble breakup and coalescence models coupled with the calculation of mass transfer coefficients.

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.

Experimente mit neuartigen Messverfahren lieferten Daten über die Struktur von transienten Flüssig-keits-Gas-Strömungen für die Entwicklung und Validierung von mikroskopischen, d.h. geometrieunabhängigen Konstitutivbeziehungen zur Beschreibung des Impulsaustauschs zwischen Flüssig-phase und Gasblasen sowie zur Quantifizierung der Häufigkeit von Blasenkoaleszenz und -zerfall. Hierzu wurde eine vertikale Testsektion der Zweiphasentestschleife MTLoop in Rossendorf genutzt, wobei erstmals Gittersensoren mit einer Auflösung von 2-3 mm bei einer Messfrequenz von bis zu 10 kHz angewandt wurden. Dabei wurde die Evolution von Gasgehalts-, Geschwindigkeits- und Bla-sengrößenverteilungen entlang des Strömungsweges und bei schnellen Übergangsprozessen aufge-nommen und so die für die Modellbildung erforderlichen Daten bereitgestellt. Für den Test der Mo-dellbeziehungen wurde ein vereinfachtes Verfahren zur Lösung der Strömungsgleichungen entlang des Strömungswegs erstellt. Es basiert auf der Betrachtung einer größeren Anzahl von Blasengrö-ßenklassen. Die erhaltenen numerische Lösungen haben erstmals gezeigt, dass der bei Erhöhung der Gasvolumenstromdichte stattfindende Übergang von einer Blasenströmung mit Randmaximum zu einem Profil mit Zentrumsmaximum und anschließend zu einer Pfropfenströmung ausgehend von einem einheitlichen Satz physikalisch begründeter und geometrieunabhängiger Konstitutivgleichun-gen modelliert werden kann. Die Modellbeziehungen haben sich in einem abgegrenzten Gebiet der Volumenstromdichten als generalisierungsfähig erwiesen und sind für den Einbau in CFD-Modelle geeignet. Weiterhin wurden Arbeiten zur Kondensation durchgeführt, die direkten Bezug zu den Kon-densationsmodellen haben, die in Thermohydraulik-Codes enthalten sind. Die Untersuchung liefert darüber hinaus experimentelle Daten für die Modellvalidierung hinsichtlich des Verhaltens und des Einflusses nichtkondensierbarer Gase. Hierfür wurden spezielle Sonden für die Bestimmung der Konzentration und für die Lokalisierung von Pfropfen nichtkondensierbarer Gase entwickelt und bei transienten Kondensationsversuchen in einem leicht geneigten Wärmeübertragerrohr eingesetzt.

Experimente mit neuartigen Messverfahren lieferten Daten über die Struktur von transienten Flüssig-keits-Gas-Strömungen für die Entwicklung und Validierung von mikroskopischen, d.h. geometrieunabhängigen Konstitutivbeziehungen zur Beschreibung des Impulsaustauschs zwischen Flüssig-phase und Gasblasen sowie zur Quantifizierung der Häufigkeit von Blasenkoaleszenz und -zerfall. Hierzu wurde eine vertikale Testsektion der Zweiphasentestschleife MTLoop in Rossendorf genutzt, wobei erstmals Gittersensoren mit einer Auflösung von 2-3 mm bei einer Messfrequenz von bis zu 10 kHz angewandt wurden. Dabei wurde die Evolution von Gasgehalts-, Geschwindigkeits- und Bla-sengrößenverteilungen entlang des Strömungsweges und bei schnellen Übergangsprozessen aufge-nommen und so die für die Modellbildung erforderlichen Daten bereitgestellt. Für den Test der Mo-dellbeziehungen wurde ein vereinfachtes Verfahren zur Lösung der Strömungsgleichungen entlang des Strömungswegs erstellt. Es basiert auf der Betrachtung einer größeren Anzahl von Blasengrö-ßenklassen. Die erhaltenen numerische Lösungen haben erstmals gezeigt, dass der bei Erhöhung der Gasvolumenstromdichte stattfindende Übergang von einer Blasenströmung mit Randmaximum zu einem Profil mit Zentrumsmaximum und anschließend zu einer Pfropfenströmung ausgehend von einem einheitlichen Satz physikalisch begründeter und geometrieunabhängiger Konstitutivgleichun-gen modelliert werden kann. Die Modellbeziehungen haben sich in einem abgegrenzten Gebiet der Volumenstromdichten als generalisierungsfähig erwiesen und sind für den Einbau in CFD-Modelle geeignet. Weiterhin wurden Arbeiten zur Kondensation durchgeführt, die direkten Bezug zu den Kon-densationsmodellen haben, die in Thermohydraulik-Codes enthalten sind. Die Untersuchung liefert darüber hinaus experimentelle Daten für die Modellvalidierung hinsichtlich des Verhaltens und des Einflusses nichtkondensierbarer Gase. Hierfür wurden spezielle Sonden für die Bestimmung der Konzentration und für die Lokalisierung von Pfropfen nichtkondensierbarer Gase entwickelt und bei transienten Kondensationsversuchen in einem leicht geneigten Wärmeübertragerrohr eingesetzt.