Dirk Bröder

Anwendung optischer Messtechniken zur Untersuchung disperser Gas-Flüssigkeits-Strömungen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 18.12.2003

Abstract
Während dieser Arbeit wurden verschieden Messtechniken angewandt und entwickelt um eine detaillierte Datenbasis für die weitergehende Modellierung von dispersen Gas-Flüssigkeits-Strömungen und die Validierung numerischer Berechnungen zu ermöglichen. Die verschiedenen untersuchten Blasengrößen und Aufgabenstellungen bedingten die Anwendung verschiedener Messtechniken. So wurde für die Untersuchung der Blasengröße und Blasengeschwindigkeit in einer feinblasig (DB < 1 mm) begasten Laborblasensäule die Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) eingesetzt. Um auch die Geschwindigkeit der Flüssigkeit zu vermessen wurden der Strömung fluoreszierende Tracer-Partikel zugegeben, sodass durch die selektive Erfassung von Streulichtsignalen mit der Emissionswellenlänge des Fluoreszenzfarbstoffes der Tracer eine sehr guten Phasendiskriminierung ermöglicht wurde.
Da der Einsatz der PDA in Blasenströmungen mit etlichen Schwierigkeiten verbunden und zudem auf Blasendurchmesser kleiner 1 mm beschränkt ist, wurden eine kameraoptische Messtechnik entwickelt um die Strömung und großskaligen Strukturen in der Laborblasensäule bei verschiedenen Gasgehalten (bis zu 19 %) untersuchen. Das PLV-System basierte auf der Verwendung eines Laserlichtschnittes und fluoreszierender Tracer-Partikel, sodass die Phasendiskriminierung durch die Erfassung unterschiedlicher Wellenlängen ermöglicht wurde.
Durch die Weiterentwicklung des Messsystem war die simultane Erfassung von Blasengröße, Blasengeschwindigkeit und Flüssigkeitsgeschwindigkeit durch die Anwendung lediglich einer CCD-Kamera möglich, welche vom Hintergrund beleuchtete Bilder der mit Tracer-Partikeln versetzten Blasenströmung aufnahm. Mittels dieses Messsystems wurde die Strömung in einer Doppelschlaufenapparatur vermessen und erstmalig eine vollständige Betrachtung der Kollisions- und Koaleszenzraten in einer Blasenströmung ermöglicht. Die sehr umfangreichen Datensätze der Messungen konnten darüber hinaus zur Untersuchung der Blasengeometrie und des Bewegungsverhaltens genutzt werden.

During this work several measurement techniques have been applied and developed to provide detailed data for the modelling of disperse gas-liquid flows and the validation of numerical simulations. The different investigated bubble sizes required the application of different measurement techniques. For the examination of a laboratory bubble column aerated by small bubbles (DB < 1 mm) the phase Doppler anemometry was applied. In order to measure the velocity of the liquid the two-phase flow had to be seeded with fluorescing tracer particles. The selective detection of Doppler bursts with the emission wavelength of the fluorescing ink of the tracer particles allowed to reach a good phase discrimination.
As the application of the PDA for bubbly flows is restricted to bubble diameters smaller than 1 mm, a camera optical measurement system was developed to investigate the flow in the laboratory bubble column for different operating conditions (up to a gas hold-up of 19 %). The PLV-System was based on an illumination by a laser light sheet and a seeding with fluorescing tracer particles. So the phase discrimination was possible by the separation and the recording of the different wavelengths of the light scattered in the volume of the laser light sheet.
By a further development of the measurement system the simultaneous measurement of the bubble size, the bubble velocity and the liquid velocity was made possible by the application of a single CCD-camera recording background illuminated images of the bubbly flow seeded with 50 Ám polyamide tracer particles. The new measurement system was applied for the investigation of the flow in a double loop reactor. The measurements provided for the first time a complete description of the collision rates and the coalescence rate in a bubbly flow. Moreover, the very detailed data were used for the investigation of the geometry and motion behaviour of bubbles.

Keywords:
Blasen, Blasensäulen, Bildverarbeitung, PIV, PTV, LDA, PDA

Bubbles, Bubble column, Image processing, PIV, PTV, LDA, PDA

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Vorwort, Inhaltsverzeichnis (1, I-IV)
1 Einleitung (1-4)
2 Blasensäulen (5-21)
3 Kameraoptische Geschwindigkeitsmessungen (22-50)
4 Digitale Filter und Bildoperationen (51-69)
5 Untersuchung der Blasensäule mittels PDA und LDA (70-97)
6 Ein LIF-PLV-System zur Analyse der Hydrodynamik bei höheren Gasgehalten (98-119)
7 Untersuchung von Blasenströmungen mittels eines abbildenden PIV/PTV-Systems (120-155)
8 Zusammenfassung (156-157)
9 Summary (158)
10 Literatur (159-163)
11 Liste der verwendeten Formelzeichen und Abkürzungen (164-167)