Fluid- und Feststofftransport in Rohrsystemen und Pumpstationen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Thematik des hydraulischen Feststofftransports in Druckrohrleitungen zur Bestimmung der hydraulischen Energieverluste des Wasser-Feststoff-Gemisches und der wirtschaftlichen Gemischgeschwindigkeit (der s. g. kritischen Geschwindigkeit).
Zu diesem Zweck wurde der Feststoff-Transport-Prozess in Rohrleitungen mithilfe von zwei im Hubert-Engels-Labor des Instituts für Wasserbau und Technische Hydromechanik der Technischen Universität Dresden aufgebauten Modellen untersucht. Die Untersuchungen fanden sowohl in horizontaler als auch in ±15° geneigten Leitungen statt. Die Rohrleitung wies einen Durchmesser von 100mm auf.
Als Feststoff kamen hauptsächlich zwei Sandfraktionen zum Einsatz (0,71-1,25 mm und 1,4-2,2 mm) und zum Teil auch eine feinere Sandfraktion (0,1-0,5 mm) mit einer Partikeldichte von 2650 kg/m³. Dabei wurden Transportkonzentrationen bis maximal 5 % erreicht.
Ziel der Untersuchungen war, mithilfe der Messdaten eine Formel zur Berechnung des Verlustanteils der dispersen Phase an dem gesamten Energieverlust besonders für das heterogene und das quasi-homogene Transportregim in Abhängigkeit von den Einflussgrößen (Dichte, Konzentration, Partikeldurchmesser etc.) abzuleiten.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war, die kritische Gemischgeschwindigkeit genauer zu betrachten und einen entsprechenden Rechenansatz aufzustellen. Diese Geschwindigkeit stellt den Übergang von dem Transport mit beweglicher Sohle zum heterogenen Feststofftransport dar und ist für den stabilen und wirtschaftlichen Betrieb der Rohrleitung von besonderer Relevanz.
Nach Abschluss der physikalischen Versuche erfolgte die Auswertung der Messdaten, so dass zunächst ein Verlustdiagramm für jede Rohrstrecke und jede Sandfraktion erstellt wurde. Im Anschluss wurden die Messergebnisse mit den Ansätzen bekannter Autoren nachgerechnet und verglichen.
In einem weiteren Schritt erfolgte eine Ableitung von Rechenansätzen sowohl für den Energieverlust als auch für die Kritische Gemischgeschwindigkeit.
Des Weiteren wurde der Feststofftransport mit der Software ANSYS-Fluent numerisch untersucht. Im Fokus der Modellierung stand die Festsetzung der Wandrandbedingung für die disperse Phase, mit Hilfen derer die physikalisch gemessenen Energieverluste des Wasser-Feststoff-Gemisches erreicht werden konnten. Die Simulationen wurden mit dem Euler-Granular-Modell durchgeführt. Hierbei wird der Feststoff als zweites Kontinuum betrachtet und seine rheologischen Eigenschaften wurden durch die Erweiterung der kinetischen Theorie der Gase auf die disperse Phase (eng. kinetic theory of granular flow KTGF) berechnet.
Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse des numerischen Modells realitätsnah sind, war es unerlässlich, das Modell anhand der in der Literatur vorhandenen Experimente zu validieren. Es wurden daher experimentelle Versuche sowohl in horizontaler als auch in geneigter und vertikaler Rohrleitung ausgewählt und numerisch mit dem Euler-Granular-Modell modelliert und die Ergebnisse anschließend verglichen.
Die numerische Berechnung einer partikelbeladenen Strömung mit dem angewendeten zwei-Fluid-Modell (TFM) hat sich als effiziente Methode zur Nachbildung der realen Strömungsgrößen für alle möglichen vorkommenden Feststoffkonzentrationen bewährt und liefert gute bis sehr gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen.