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Untersuchung der Schallgeschwindigkeit in Zweiphasenströmungen

Flieger, Oliver

Die Schallgeschwindigkeit ist eine zentrale akustische, thermodynamische und strömungsmechanische Größe. In einphasigen Fluiden ist die Schallgeschwindigkeit eine thermodynamische Zustandsgröße und somit abhängig vom Fluid, in dem sich der Schall ausbreitet. In Zweiphasenströmungen ist die Schallgeschwindigkeit fluid-, zustands-, volumendampfgehalt-, frequenz- und strömungsformabhängig. Für die Strömungsformen in horizontalen und senkrechten Rohren gibt es gemäß dem Stand der Wissenschaft eine Vielzahl an physikalischen, eindimensionalen, analytischen Schallgeschwindigkeits-Modellen. Diese Modelle sind zumeist gültig unter der Voraussetzung, dass die Schallwellenlänge sehr viel größer ist als die charakteristische Länge der Strömungsformgeometrie. Mittels des Vergleiches der Modelle mit den Messdaten aus der Literatur wird in dieser Arbeit gezeigt, dass bisher nur für die homogene Blasenströmung eine fundierte Modellwahl durchgeführt werden kann, das Modell von Wood (1930) ist anwendbar. In den anderen Strömungsformen sind weitere, neuartige Messdaten für eine fundierte Modellwahl erforderlich. Die Schallgeschwindigkeit wird in dieser Arbeit mittels des Zwei-Mikrofon-Verfahrens mit den kältemittelseitigen Verdichterpulsationen als neuartige Schallquelle und der Kreuzkorrelation als Analyseverfahren in den Kältemitteln R1234yf, R134a und R744 gemessen. Auf Basis der neuen Schallgeschwindigkeits-Messdaten und der Daten aus der Literatur werden folgende Modelle für die Anwendung in den jeweiligen Strömungsformen empfohlen: In Nebel-, Ring- und Austrocknungsströmungen sind die Modelle von Henry u. a. (1971) und Mecredy u. a. (1972) für Nebelströmungen anwendbar, in denen die Schallgeschwindigkeit in etwa der der reinen Dampfphase entspricht. In Schichten- und Wellenströmung ist das Modell von Van Dijk (2005) für Schichtenströmungen anwendbar, in dem sich der Schall durch beide Phasen mit einer gemeinsamen Geschwindigkeit ausbreitet, welche in etwa der der reinen Dampfphase entspricht. In Pfropfenströmung im horizontalen Rohr breitet sich Schall mit derselben Geschwindigkeit aus, wie er es in einer Schichtenströmung mit gleichem Volumendampfgehalt tun würde, sodass das Modell von Van Dijk (2005) für Schichtenströmungen anwendbar ist. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen in Kältemittel-Öl-Gemischen zeigen, dass das Kältemaschinenöl bei den untersuchten Betriebsbedingungen keinen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit in Zweiphasenströmungen hat.

The speed of sound is a central acoustic, thermodynamic and fluid mechanical quantity. In single-phase fluids the speed of sound is a thermodynamic property and therefore dependent on the fluid. In two-phase flows, the speed of sound is dependent on the fluid, its thermodynamic state, the void fraction, the frequency and the flow pattern. For the individual flow patterns in horizontal and vertical pipes there exist a multitude of physical, one-dimensional, analytical models. They are valid for compared to the characteristic length of the flow geometry large wavelength of the sound. By comparing the models with the measured data from literature it is shown in this thesis, that so far only for the homogeneous bubbly flow a profound model choice can be made, the model of Wood (1930) is appropriate. For the other flow patterns additional measurement data is required. In this thesis the speed of sound is measured in the refrigerants R1234yf, R134a and R744 using the two-microphone method. The refrigerant-side pulsations of the compressor are used as a new sound source and the time delay is estimated by the cross-correlation function. Based on the new speed of sound data and the data from the literature, the following models are recommended for use in the respective flow patterns: In Mist, Annular and Dry-Out Flows the models of Henry et al. (1971) and Mecredy et al. (1972) for mist flow are applicable, where the mass transport between the phases is being neglected, the changes of state are assumed to be isentropic and the speed of sound is approximately the same as in the pure vapor phase. In Separated and Wavy-Flows the model of Van Dijk (2005) is applicable, where the sound propagates through both phases at the same velocity which is approximately the same as in the pure vapor phase. In Plug-Flows in horizontal pipes the model developed in this thesis is applicable. In this model the volume of the vapor-plug is being extended to the whole considered area. The sound propagates at the same speed as it would in a stratified flow with the same volumetric vapor content so the model of Van Dijk (2005) for stratified flows can be used. The theoretical and experimental investigations in refrigerant-lubricant-oil-mixtures show no effect of the lubricant oil on the speed of sound in two-phase flows, as long as it dissolves only in the liquid phase and the density of the lubricant oil is approximately the same as in the liquid refrigerant.

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Flieger, O., 2019. Untersuchung der Schallgeschwindigkeit in Zweiphasenströmungen. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-201907301145-0
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