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Entstehung, Ausbreitung und Dämpfung von Druckstößen in zweiphasig durchströmten Rohrleitungsnetzen

 

Dr.-Ing. S. Maksic

 

In nuklearen und konventionellen Kraftwerken sowie Anlagen der chemischen Industrie werden durch das plötzliche Öffnen oder Schließen von Ventilen und Klappen oder durch das Auftreten von Leckagen Druckstöße verursacht. Diese breiten sich mit großer Geschwindigkeit in den Komponenten der Anlage aus. Die hierdurch verursachten mechanischen Belastungen für Rohrleitungen, Armaturen und Behälter sind sehr groß. Insbesondere für die konstruktive Auslegung ist es erforderlich, die maximal auftretenden Drücke berechnen zu können. Das Ziel des Vorhabens ist die Identifikation der für die Entstehung, Ausbreitung und Dämpfung von Druckstößen verantwortlichen physikalischen Größen und das Berechnen der transienten fluid-dynamischen Vorgänge, die im Zusammenhang mit Druckstößen in zweiphasig durchströmten Rohrleitungssystemen und komplexeren Anlagen auftreten. 

Die transienten Vorgänge in den zweiphasigen Strömungen werden mit einem mehrdimensional formulierten Gleichungssystem beschrieben. Dadurch kann der Einfluss der räumlichen Verteilung von Flüssigkeit und Gas auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit und Dämpfung der Druckstöße berücksichtigt werden. Das thermische Nichtgleichgewicht zwischen den fluiden Phasen wird berücksichtigt.

 

 

 

 

Die Erhaltungsgleichungen für Impuls, Masse und Energie der fluiden Phasen werden formuliert. Geeignete konstitutive Gleichungen, durch die Dissipation und der Austausch von Impuls, Masse und Energie zwischen den Phasen beschrieben werden, sind zu erarbeiten. Das Lösen der entstehenden Gleichungssysteme erfolgt mit Hilfe der Methode der finiten Volumina. Soweit möglich werden hierfür kommerzielle Softwarepakete verwendet. Basierend auf den Ergebnissen der detaillierten Berechnungen werden vereinfachte leicht handhabbare Ansätze gesucht.

 

 

In der Abbildung ist ein Wasserkühler und der Gasgehalt in der Strömung 1,2 s nach einem im Kühler auftretenden Rohrbruch dargestellt. Der Kühler ist eine Schnittstelle zwischen dem unter Hochdruck strömenden heißen Rohrwasser und dem unter Niederdruck strömendem Kühlwasser. Die Entspannungsverdampfung tritt als eine Folge der abrupten Druckänderung und des thermischen Nichtgleichgewichts auf.