Zweiphasenströmung

Zweiphasenströmung bezeichnet in der Strömungslehre die Strömung eines Gemischs aus zwei Phasen. Dabei handelt es sich meist um eine flüssige und eine gasförmige Phase. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen einer Einkomponenten-Zweiphasenströmung, hier wäre eine wichtige Anwendung die Strömung eines Gemischs aus siedendem Wasser und Wasserdampf in der Energietechnik und bei der Siedekühlung, und einer Mehrkomponenten-Zweiphasenströmung, zum Beispiel Wasser und Luft. Im Allgemeinen strömen beide Phasen nicht mit derselben Geschwindigkeit im Rohr.

Phasenverteilung

Je nach Geschwindigkeits- und Massenstromverhältnis der beiden Phasen stellen sich verschiedene charakteristische Verteilungen der Phasen über den Querschnitt des Strömungskanals ein, die man auch Strömungsformen nennt. Für ein aufwärts durchströmtes Rohr lassen sich in der Regel vier Hauptgruppen, nämlich Blasenströmung, Kolbenblasenströmung, Ringströmung und Sprühströmung unterscheiden. Die sich einstellende Strömung resultiert aus den in der Strömung herrschenden und an jeder der Phasen angreifenden Kräften.

Phasenverteilungszustände

H. Brauer hat für die vorhandenen Strömungsrichtungen entsprechende allgemeingültige Phasenverteilungszustände dargestellt. In der Blasenströmung ist die Gasphase gleichmäßig in der kontinuierlichen Flüssigphase dispergiert. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Geschwindigkeit beider Phasen gleich ist (Schlupf = 1). Kommt es zu einer Erhöhung des Gasanteils, so wachsen immer mehr Blasen zusammen und bilden Gaskolben, man beobachtet eine Kolbenblasen- oder auch Kolbenströmung. Eine weitere Erhöhung des Gasanteils im horizontalen Rohr führt schließlich zur Schichtenströmung. Hierbei strömen Gas und Flüssigkeit getrennt nach ihrer Dichte geschichtet durch das Rohr, wobei kleine Blasen in der Flüssigphase vorkommen können. Im vertikalen Rohr wird diese Strömungsform nicht beobachtet. Dies gilt auch für die Wellen- und die Schwallströmung, bei denen der Gasstrom eine Schubspannung auf die Flüssigkeit überträgt, die bei Annahme eines bestimmten Wertes Wellen hervorruft. Ab einem gewissen Gasdurchsatz erreichen einzelne Wellenberge eine so große Höhe, dass sie als Schwall durch das Rohr geschoben werden. Die Pfropfenströmung wiederum kommt im vertikalen wie im horizontalen Rohr vor. Gaspfropfen schieben sich durch das Rohr, die Flüssigkeit umgibt sie und bedeckt die Rohrwand. Bei sehr hohen Gasdurchsätzen bildet sich eine Filmströmung, auch Ringströmung genannt, aus. Die Flüssigkeit bildet nur noch einen Film an der Rohrwand. Meist strömt das Gas schneller als die Flüssigkeit (Schlupf > 1). Den äußeren Grenzfall der Zweiphasenströmung stellt die Nebel- oder Sprühströmung dar. Die Flüssigkeitstropfen sind homogen in der Gasphase verteilt.

Siehe auch

• Mehrphasenströmung
• Flugstrom
• Numerische Strömungssimulation

Literatur

• H. Brauer: Grundlagen der Einphasen- und Mehrphasenströmung. 1971.
• Lutz Friedel: Modellgesetz für den Reibungsdruckverlust in der Zweiphasenströmung. In: VDI-Forschungsheft. 572, 1975.