Bubble Hydrodynamicsin Large Pools
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DISS. ETH No. 14398
Bubble Hydrodynamicsin Large Pools
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTEOF TECHNOLOGYZÜRICH
for the degree of
Doctor of Technical Science
presented by
JENS HOLGERKUBASCH
Dipl.-Ing. (phy.)
born on January 27, 1971 in Offenbach/Main
Citizen of Germany
accepted on the recommendationof
Prof. George Yadigaroglu, Zürich, examiner
Prof. Agustm Alonso, Madrid, co-examiner
2001Abstract XI Abstract This thesis presents extensive and detailed information about two-phase flow in large pools, obtained from local measurements. The data give a better understanding of two-phase flow under pool scrubbing conditions, i.e., injection of high air flow rates through a single nozzle into large water pools. The experiments were carried out in the context of severe accident research for advanced nuclear power plants. The pool was 1 m in diameter and pool depths up to 3 m were investigated. Air was injected through a single nozzle (diameters of 5,10, and 20 mm) at the bottom. The flow rate was varied between 0.42 and 3.33 dmn/s. The upper limit was set to minimize interactions between the two-phase flow and the walls, evidenced by oscillationof the entire bubble plume. Collected without strong plume oscillations, the results are also applicable to pools with diameters larger than 1 m. The local measurements were performed with a double optical sensor and a hot-film anemometer. Void fraction, bubble and water velocity, and bubble chord length distributions were measured. Signal processing and the calibration of the sensors are discussedin the first part of the work. The two-phase flow area in the pool was separated into a zone of flow establishment(ZFE) close to the nozzle and a zone of established flow (ZEF) further downstream. In the ZFE, either large individual bubbles or jets were observed at the nozzle exit, depending on the air flow rate and the nozzle diameter. The bubble plume in the ZEF is buoyancy driven and the initial momentum of the injected air plays no significant role. This was shown by tests at constant air flow but with different nozzle diameters: The Variation of the void fraction and of the bubble velocity along the pool centerline depended only on the air flow rate and was practically unaffected by the nozzle size. Void fraction, bubble and water velocity radial profiles collected at differentelevations pro- vided information about the expansion of the bubble plume in the horizontal direction. The profiles were fitted with Gaussian curves and their maximum and width were determined. The data show that a bubble plume consists of a bubble core and an entrained water flow area that expands further than the bubble core. The bubbles rise in the entrained water flow, and so the bubble velocity is considerablyhigher than that of individual bubbles in stagnant water. How¬ ever, the mean relative phase velocity determined from the bubble and water velocity measure¬ ments was higher than that of individual bubbles in stagnant water. Furthermore, the relative velocity was also not constant along the pool diameter. The fact that the bubbles rise typically in swarms through the pool and not as single bubbles may explain these observations. Bubble chord length distributionswere fitted with log-normal distributions. The data indicate
Abstract XII that bubble breakup is dominant over bubble coalescence in a bubble plume. A semi-empirical bubble plume model was used to describe globally the flow. The model considers water entrainment, the relative phase velocity, and the different rates of expansion of the entrained water flow and of the bubble core. The empirical parameters that are required for the model were derivedfrom the experimental data. Similarmodeis are used for large plumes in lakes in relation to venting phenomena. However, under pool scrubbing conditions, the air is injected with higher momentum and the void fraction is higher. The empirical parameters obtainedin the present work are comparable to the results fromother experiments related to lake venting. For the two-phase flow situationsstudied here, good agreement was found betweenthe experiments and model predictions. It points out, that the bubble plume model is applicable to describe the bubble hydrodynamicsin large pools under pool scrubbing conditions.
Zusammenfassung XIII Zusammenfassung Die Doktorarbeit beschreibt die detaillierte experimentelle Untersuchung von Zwei- Phasenströmungenin grossen Wasservorlagen. Luft wurde durch eine einzelne Düse im Boden der Wasservorlage eingeleitet, und die Entwicklung der Strömung in vertikale und horizontale Richtung wurde mit Hilfe lokaler Messtechnik untersucht. Die Experimente stehen im Zusam¬ menhang mit der Erforschung von schweren Unfällen in fortschrittlichenKernkraftwerken. Bei einem Unfall werden grosse Wasservorlagen im Containmentdes Kraftwerks als Filter ver¬ wendet, um Gemische aus Gas, Dampf und Aerosolen zu reinigen. Die hier gezeigten Daten vermitteln ein besseres Verständnisfür die dabei entstehende Zwei-Phasenströmungen. Die untersuchte Wasservorlage hatte einen Durchmesser von 1 m und Wassertiefen bis zu 3 m wurden eingestellt. Die Luft wurde durch eine einzelne Düse (Durchmesser5, 10 und 20 mm) am Boden eingeleitet und Tests mit Durchflussratenzwischen 0.42 und 3.33 dmn/s wurden durchgeführt. Die maximale Durchflussrate wurde so gewählt, dass Wechselwirkungen zwischen der Zwei-Phasenströmungund den Wänden klein sind. Dies wird durch geringe hor¬ izontale Oszillation der gesamten Blasenwolke innerhalb der Wasservorlage angezeigt. Durch die geringe Oszillation der Strömung, sind die Messergebnisse auch anwendbarauf Wasservor¬ lagen die einen grösseren Durchmesserals 1 m haben. Eine optischen Doppelsonde und ein Heissfilm Anemometerwurden zur lokalen Messung von Strömungsparametern verwendet. Gasgehalt, Blasen- und Wassergeschwindigkeiten und Blasensehnenlänge wurden gemessen. Die Signalverarbeitungund die Kalibration der Sonden werden im ersten Teil der Arbeit vorgestellt. Das Zwei-Phasengebiet in der Wasservorlage wurde in eine Einlaufzone (ZFE), oberhalb der Düse, und eine Zone mit ausgebildeter Strömung (ZEF), die weiter stromabwärts beginnt, aufgeteilt. In Abhängigkeit vom Düsendurchmesserund Luftstrom wurde in der Einlaufzone entweder die Ablösung grosser einzelner Blasen oder die Bildung eines Luftstrahls beobachtet. Die Ausdehnung der Blasenwolke im Bereich der ausgebildeten Strömung ist abhängig vom Auftriebfluss, bzw. vom eingeleiteten Luftstrom. Keinen Einfluss auf die Entwicklung der Blasenwolke hat der Eintrittsimpuls der Luft am Düsenausgang. Dies wurde durch Tests mit konstantem Luftdurchfluss und verschiedenen Düsendurchmesserngezeigt. Der Verlauf von Gasgehalt und Blasengeschwindigkeit entlang der Mittelachse der Wasservorlage hängt nur vom Luftdurchfluss ab, und praktisch nicht vom Düsendurchmesser. Radiale Profile des Gasgehalts und der Blasen- und Wassergeschwindigkeiten wurden in ver¬ schiedenen Abständen von der Düse gemessen, um die horizontale Ausbreitung der Blasen¬ wolke zu beschreiben. Die Profile wurden mit Gausskurven gefittet um deren Maximum und Breite zu bestimmen. Die Daten zeigen, dass die Blasenwolke aus einem Blasenkern
Zusammenfassung XIV und einer eingemischten Wasserströmung besteht, wobei die Wasserströmung weiter aus¬ gedehnt ist als der Blasenkern. Die Blasen steigen in der Wasserströmungauf, und somit ist die totale Aufstiegsgeschwindigkeitgrösser als die einzelner Blasen in ruhendem Wasser. Allerdings ist die mittlere relative Phasengeschwindigkeit, bestimmt aus der gemessenen Blasen- und Wassergeschwindigkeit, immer noch höher wie die Aufstiegsgeschwindigkeit einzelner Blasen in ruhendem Wasser. Weiterhin verändert sich die Phasengeschwindigkeit über den Durchmesser der Wasservorlage. Die Tatsache, dass die Blasen in Schwärmen auf¬ steigen, und nicht als einzelne Blasen, könnte die Messungen erklären. Blasensehnelängenverteilungen wurden mit logarithmischen Normalverteilungen beschrieben. Die Daten weisen daraufhin, dass in einer Blasenwolke der Blasenzerfall stärker ausgeprägt ist als die Blasenvereinigung. Ein halbempirischesBlasenwolken-Modellwurde zur globalen Beschreibung der Strömung verwendet. Das Modell berücksichtigt die Wassereinmischung, die relative Phasen¬ geschwindigkeit und die unterschiedliche Ausbreitung des Blasenkerns und der Wasser¬ strömung. Die notwendigenempirischen Modellparameter müssen aus experimentellenDaten bestimmt werden. Ähnliche Modelle werden zu Beschreibung von grossen Blasenwolkenzur Seebelüftung verwendet. Im Vergleich zu dieser Anwendung, sind bei Nassfiltern der Gas¬ gehalt und der Impuls am Lufteinlass höher. Die empirischen Modellparameter, die in dieser Arbeit abgeleitet wurden, sind vergleichbar mit den Ergebnissen von anderen Experimenten, die Blasenwolkenin Seen beschreiben. Für die hier untersuchte Zwei-Phasenströmungwurde eine gute Übereinstimmungzwischen Experimenten und Modellvorhersagen gefunden.
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