Dynamische Strukturverfolgung in Mehrphasenströmungen mittels ultraschneller Röntgentomographie und bildgestützter Scanführung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Martina Bieberle; Dr.-Ing. Andreas Kopmann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316064903

Ultraschnelle Bildgebungsverfahren sind unverzichtbare Werkzeuge zur Aufklärung hochdynamischer Prozesse wie beispielsweise Mehrphasenströmungen. Diese sind in vielen technischen Prozessen, unter anderem in chemischen Mehrphasenreaktoren zu finden und treten sehr vielgestaltig auf. Insbesondere die Modellierung von Mehrphasenströmungen mit numerischen Berechnungsverfahren (CFD) ist aufgrund der Vielzahl zu berücksichtigender physikalischer Effekte beim Transport von Impuls, Stoff und Wärme sowie der inhärenten Mehrskaligkeit des Problems schwierig. Zur Entwicklung und Validierung von Modellen für die numerische Berechnung von Mehrpha-senströmungen sind zeitlich und räumlich hochauflösende Messverfahren, wie die von der Antrag-stellerin mitentwickelte ultraschnelle Röntentomographie (ROFEX), daher unverzichtbar. Beispielsweise ist die Auslegung von Blasensäulen maßgeblich von der Kenntnis des Verweilzeitverhaltens sowohl der fluiden als auch der Gasphase abhängig ist. Zur Verfolgung von Einzelblasen in Blasensäulen existieren jedoch nur sehr wenige Arbeiten, welche zudem meist auf Blasensäulen mit sehr niedrigen Gasgehalten eingeschränkt sind, bei denen die Einzelblasen keinem Schwarmeinfluss unterliegen. Strömungsmechanische Untersuchungen zur Bestimmung der oben genannten Parameter in einem Blasenschwarm würden also stark von einem Echtzeit-Messverfahren zur gleichzeitigen Messung von Blasenstruktur, Blasenbewegungen und umgebender Phasenverteilung in realen Blasensäulen profitieren. Ziel des Projektes ist daher die Weiterentwicklung der ultraschnellen Röntgentomographie für eine Verfolgung von Blasen in einer Zweiphasenströmung. Das Verfahren basiert auf einer schnellen bildgesteuerten Nachführung der Tomographiemessebene. Damit können Gasblasen vollständig auf ihrem Weg durch das Strömungsgebiet verfolgt werden. Während ihres gesamten Weges sind Formveränderungen sowie Interaktionen mit anderen Gasblasen (Koeleszenz, Fragmentation, Kollision) beobachtbar. Zudem kann innerhalb der Bildebene die vollständige Strömungsstruktur aufgezeichnet werden. Essentiell für die Realisierung der dynamischen Versuche sind effiziente Mess-, Analyse- und Regelungsverfahren, die durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von A. Kopmann (KIT) erreicht werden sollen, da diese über eine ausgewiesene Expertise in der Echtzeit-Datenerfassung großer Datenmengen, 3D Bildrekonstruktion und bildbasierter Regelung verfügt. Auf Basis dieses Knowhows sollen GPU-basierte Bildrekonstruktions- und Bildauswertealgorithmen in Kombination mit einer schnellen Datenübertragungslösung konzipiert, entwickelt und am ROFEX-System umgesetzt werden. Konkretes Ziel ist dabei die Demonstration der Machbarkeit einer Einzelblasenverfolgung in einem Blasenschwarm innerhalb einer Blasensäule. Die Herausforderung liegt dabei in der Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit von Datenübertragung und der gesamten Datenanalyse-Kette.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen