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Transientes Verhalten einer zweiphasigen Schwallströmung in horizontalen Rohren

 

Dr.-Ing. K. Grotjahn

 

Im Bereich des energie- und verfahrenstechnischen Anlagenbaus oder im Bereich der Erdöl- und Erdgas verarbeitenden Industrie werden gleichzeitig gasförmige und flüssige Medien in horizontalen Rohrleitungen transportiert. In Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeiten der gleichgerichtet strömenden Fluide treten unterschiedliche Phasenverteilungen auf. Die Schwallströmung sowie der transiente Übergang zwischen der Pfropfen- und Schwallströmung werden am häufigsten beobachtet. Die Phasenverteilung der Pfropfen- und Schwallströmung ist durch die Abfolge von Gaskolben, welche unter dem Rohrscheitel strömen und Flüssigkeitspfropfen gekennzeichnet. Der Beginn des transienten Übergangs zwischen den Strömungsformen wird durch die einsetzende Begasung der beschleunigten Flüssigkeitspfropfen festgelegt.

 

Während die Pfropfenströmung durch einen hohen Reibungsdruckverlust gekennzeichnet wird, nimmt der Reibungsdruckverlust im Übergangsbereich zur Schwallströmung mit steigendem Gasvolumenstrom ab. Neben diesem typischen Verlauf des Reibungsdruckverlustes ist der transiente Übergang zwischen den Strömungsformen mit einem Anstieg der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches und somit der auf die Rohrwände und Armaturen wirkenden Impulskräfte verbunden.

Zur Auslegung von Transportleitungen, angeschlossenen Pumpen, Armaturen oder sogenannten slug-catchern sind die physikalischen Vorgänge und daraus abzuleitenden Strömungsgrößen im Schwall von besonderer Bedeutung. Ziel der im Rahmen des Projektes durchgeführten Messungen und Berechnungen ist die Vorhersage der speziel im Bereich des transienten Übergangs auftretenden lokalen Geschwindigkeiten, Phasenverteilungen und Impulskräfte sowie des Reibungsdruckverlustes. Messungen werden dazu mit Hilfe des dargestellten Versuchsaufbaus zuerst an einzelnen in der Meßstrecke strömenden Pfrofpen und Schwällen durchgeführt. Neben stationären Strömungszuständen wird die instationäre Strömung betrachtet und abschließend die Strömung aus mehreren Schwällen gemessen.

 

Nach der Analyse der gemessenen Größen wird das Strömungsfeld im Flüssigkeitsschwall unter Berücksichtigung der physikalischen Vorgänge im Bereich der Transiente mit Hilfe der Bilanzgleichungen für die Phasen sowie der zugehörigen Rand- und Schließbedingungen für einzelne Schwälle formuliert. Mit Hilfe des so entwickelten Gleichungssystems und der experimentellen Ergebnisse erfolgt durch die Kopplung einzelner Schwälle die theoretische Herleitung der für die Strömung von mehreren Flüssigkeitspfropfen und Schwällen gültigen Bewegungsgesetze und daraus die Berechnung der gesuchten Strömungsfelder.