Wolfgang Merzkirch

Velocity Measurements in Multiphase Flow by Means of Particle Image Velocimetry

The modeling and scaling of an apparatus involving mass-transfer, e.g. a bubble column reactor, requires detailed knowledge of the fluid mechanical processes in the vicinity of the contact surfaces of the respective phases. The flow around bubbles rising in water is investigated by means of particle image velocimetry (PIV). The interaction of the gaseous and the liquid phase are of great interest. Optical, non-intrusive measuring methods are particularly appropriate if the gas content in the liquid phase is low. Particle image velocimetry as a whole-field method can freeze and record the state of the flow at a given instant of time and thus resolve large-scale structures in the flow, e.g. the wake behind rising bubbles. Particular turbulent structures or states can be attributed to a certain configuration of bubbles. This paper describes the principle of PIV and its application to measuring velocities in multiphase systems (liquid/ solid) and the flow around bubbles rising in water. The algorithm developed for evaluating PIV recordings is described. The aim of the measurements in the multiphase system is to simultaneously determine the velocity distributions of the individual phases. A digital mask technique is used for separating the information resulting from the different phases present in the system.

Computer aided approximation of flow rate through systemic-pulmonary arterial shunts (SPAS)

Abstract The discrimination of flow rates through bronchial arteries that are affected by pathological SPAS today still happens solely qualitatively. A reproducible quantification of flow rates, however, would enable the comprehension of phenomena like the intensified shunt perfusion seen in cases of chronic inflammations or the characterization of SPAS that may cause cardiovascular problems. A computational program is developed, that allows the modeling of individual bronchial arteries on the basis of the information provided by angiography. Angiographic images are available from the standard clinical assessment of SPAS. The flow through continuous and geometrically measurable vessel segments and SPAS is given by the law of Hagen-Poiseuille. The discharge through healthy branches is calculated by means of allometric scaling laws. The simulation results are verified by flow experiments in artificial vessel networks made of glass and PE tubing. The experimental set-up mimics realistic, pulsating pressure and flow conditions. When applied to the artificial vessel networks, the model described herein provides results for the volumetric flow rate that differ from values measured in laboratory experiments by <6%. The computer model is also applied to real angiographic images. Due to inaccuracies during the deduction of the geometry and due to necessary simplifications of the model, we expect significant deviations between calculated and real flow rates in bronchial systems. Nevertheless, the presented method enables the physician to objectively estimate the order of magnitude of volumetric flow through individual SPAS fairly independently from his experience and without the need of measurements additional to the mandatory angiography.

Diskussion und Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit sind insbesondere zwei Fragen untersucht worden: 1. Welche Krafte bewirken in einer instationaren, horizontalen Parallelstromung das Abheben der Staubpartikel aus der ursprunglich ebenen, am Kanalboden befindlichen Staubschicht? 2. Wie verteilt sich der Staub in der instationaren Kanalstromung als Funktion der Zeit? Die Antwort auf die erste Frage liefert die Anfangsbedingungen zu dem in der zweiten Frage enthaltenen Problem.

Berechnung der Staubkonzentration nach der Diffusionstheorie

Im Anschlus an die in Abschnitt 5 dargestellten experimentellen Ergebnisse stellt sich die Frage nach der Ubertragbarkeit dieser Ergebnisse, z.B. auf andere Dimensionen des Kanals. Die Ubertrag-barkeit last sich leicht vollziehen, wenn das Problem durch geeignete dimensionslose Kennzahlen beschrieben werden kann.

Staubaufwirbelung in laminarer Strömung

Die Nachstromung hinter der Stoswelle ist zunachst laminar und parallel zur Kanalachse. Erst nach einiger Verzogerung wird die Stromung in der Stosrohrgrenzschicht turbulent[7]. Es stellt sich die Frage nach der Art der Querkrafte (Auftriebskrafte), die in der laminaren Anfangsphase eine Bewegung der Staubpartikel von der Wand in die Stromung hinein bewirken. In Bild 2 ist zu erkennen, das die Stoswelle in der Nahe der Staubschicht gebeugt ist. Von dieser Beobachtung ausgehend fuhrt Gerrard [8] die Staubaufwirbelung auf Druckkrafte zuruck, die durch den in die Staubschicht eindringenden und am Boden des Staubgefases reflektierenden Anteil der Stoswelle entstehen. Diese Erklarung, die eine Abhangigkeit des Bewegungsablaufs von der Staubschichtdicke voraussetzt, wird von Fletcher [9] aufgrund experimenteller Daten widerlegt. Die Stoswelle selbst leistet nur insofern einen Beitrag zur Aufwirbelung, als durch sie eine Gasstromung initiiert wird, deren Wechselwirkung mit der Staubschicht die Ursache fur das Abheben der Staubpartikel liefern mus.

Kurzzeitphotographische Darstellung der Staubaufwirbelung

Anhand von Schattenaufnahmen wird zunachst ein qualitativer Uberblick uber den zeitlichen Ablauf der Staubaufwirbelung gegeben. Die Bilder 2 bis 7 sind das Ergebnis je eines Einzelversuchs im Stoswellenrohr. Die Versuche werden unter denselben Anfangsbedingungen durchgefuhrt. Die Aufnahmezeitpunkte der einzelnen Schattenbilder sind gegeneinander so versetzt, das sich innerhalb der Reproduzierbarkeit der Versuche eine kinematographische Darstellung der Staubaufwirbelung ergibt. Die Bildserie ist mit dem Versuchsstaub 2 und einer anfangs 2mm tiefen Staubschicht hergestellt. Die Stos-Mach-Zahl betragt Ms=1,26, die Geschwindigkeit des nachstromenden Gases ist U∞=133m/s.

Beschleunigung eines Kolbens in einem Stosswellenrohr mit veränderlichem Querschnitt

ZusammenfassungEs wird ein vereinfachtes, eindimensionales Modell beschrieben für die Beschleunigung eines Kolbens in einem Stosswellenrohr, dessen Querschnitt sich nach einer gewissen Lauflänge sprunghaft erweitert. Numerische Rechnungen werden mit Messungen im Stosswellenrohr verglichen.SummaryA simplified, one-dimensional model is developed to describe the acceleration of a piston in a shock tube having a discontinuous increase in cross-section. Numerical calculations are compared with shock tube experiments.