Dynamische Strukturverfolgung in Mehrphasenströmungen mittels ultra-schneller Röntgentomographie und bildgestützter Scanführung

Abstract

Gas-Flüssig-Reaktoren, wie beispielsweise Blasensäulen, sind zentrale Apparate in der chemischen und verfahrenstechnischen Industrie. Ein detailliertes Verständnis der lokalen Strömungsmechanik ist für deren Auslegung essenziell. Eine wesentliche Wissenslücke besteht im Verhalten einzelner Blasen innerhalb dichter, opaker Blasenschwärme, da herkömmliche optische Messmethoden in diesen Mehrphasenströmungen versagen. Ziel des Projektes war es, diese Lücke mittels ultraschneller Elektronenstrahl-Röntgentomographie (UFXCT) zu adressieren. Hierfür wurde die dynamische Strukturverfolgung mit bildgestützter Positionsnachführung entwickelt: Ein vertikal verfahrbarer Röntgenscanner wurde mit einer Echtzeit-Bildverarbeitung gekoppelt, um individuelle Zielblasen im Schwarm zu identifizieren und den Scanner synchron mit der Aufstiegsgeschwindigkeit der Blase nachzuführen. Die Realisierung dieser komplexen Echtzeit-Kopplung stellte eine erhebliche ingenieurtechnische Herausforderung dar. Unter den verbleibenden apparativen Randbedingungen (mechanische Latenz, thermische Limitierung) konnten durch diese Methodik und anschließende 3D-Offline-Rekonstruktionen detaillierte Trajektorien von Blasen in Strömungen mit bis zu 21 % Gasgehalt analysiert werden. Die Ergebnisse belegen drei gasgehaltsabhängige Strömungsregime. Insbesondere zeigte sich, dass Blasen bei moderaten Gasgehalten (ca. 1,6 %) in einer makroskopischen Kanalstruktur auf einer stabilen, helikalen Bahn aufsteigen, während höhere Gasgehalte zu chaotischen Bewegungsabläufen führen. Damit konnten im Rahmen dieses Projekts bestehende Theorien zur Blasenanordnung im Schwarm (nach Schlüter und Kipping) miteinander verbunden und erstmals experimentell bestätigt werden. Für eine belastbare Integration dieser Erkenntnisse in numerische Berechnungsmodelle (Lagrange-Ansatz) müssen diese exemplarischen Studien künftig durch statistisch signifikante Messreihen erweitert werden. Gas-liquid contactors, such as bubble columns, are essential components in the chemical and process industries. A detailed understanding of local fluid mechanics is crucial for their design. A significant knowledge gap exists regarding the behavior of individual bubbles within dense, opaque bubble swarms, as conventional optical measurement techniques fail in such multi-phase flows. The aim of this project was to address this gap using ultrafast electron beam X-ray computed tomography (UFXCT). For this purpose, a methodology for dynamic structure tracking with image-based position tracking was developed: a vertically movable X-ray scanner was coupled with real-time image processing to identify individual target bubbles within the swarm and synchronize the scanner's movement with the bubble's ascent velocity. The realization of this complex real-time coupling presented a significant engineering challenge. Despite system-inherent technical limitations (mechanical latency, thermal limitations), this methodology and subsequent 3D offline reconstructions enabled the detailed analysis of bubble trajectories in flows with gas fractions up to 21 %. The results demonstrate three flow regimes dependent on the gas fraction. Notably, at moderate gas fractions (approx. 1.6 %), bubbles ascend on a stable, helical path within a macroscopic channel structure, whereas higher gas fractions lead to chaotic movements. Thus, existing theories on bubble arrangement in swarms (according to Schlüter and Kipping) could be combined and experimentally validated for the first time within the scope of this project. As these investigations have an exemplary character, they must be expanded upon in the future through statistically significant measurement series to enable a robust integration of these findings into numerical computational models (Lagrangian approach).