Multiphasflöden

Multiphasflöden bezeichnet Strömungen, in denen zwei oder mehr Phasen gleichzeitig vorhanden sind. Typische Beispiele sind Gas-Flüssig-, Flüssig-Flüssig- und Gas-Fest-Systeme. Die Phasen können sich räumlich mischen oder trennen. Relevante Größen sind Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung sowie Temperatur und Druck. Phasenanteil α_i (Volumenfraktion) und der Holdup beschreiben, wie viel Volumen jeder Phase in einem Knoten ausfüllt; zusammen gilt ∑ α_i = 1.

Die mathematische Beschreibung erfolgt meist durch multiphasige Kontinuitäts- und Impulsgleichungen. Im Euler-Euler-Ansatz werden Dichte, Viskosität und Druck gemischt und Interfacialkräfte modelliert. Typische Abschlüsse umfassen Drag-, Lift- und virtuelle-Masse-Kräfte sowie die Oberflächenbereichskonzentration. Alternativ kommen Euler-Lagrange-Modelle oder Volume-of-Fluid (VOF) bzw. Level-Set-Methoden zum Einsatz.

Zu den Fließregimen gehören stratifizierte Strömungen, dispergierte Blasen- oder Tropfenströme (bubbly bzw. slug-Flow) sowie churn-turbulente Strömungen. Die Wahl des Modells hängt von Phasenanteil, Geometrie und Strömungsdynamik ab. Häufige numerische Ansätze sind Euler-Euler mit VOF/Level-Set und entsprechende Turbulenzmodelle.

Anwendungen finden sich in der Öl- und Gasförderung, chemischen Reaktoren, Verdampfung/Kondensation, Sprühprozessen, Wärmeübertragung und Umwelttechnik. Mess- und Diagnosetechniken umfassen Gamma- oder Röntgendensitometrie, Computertomographie, elektrische Impedanz-Tomographie, Hochgeschwindigkeitsfotografie und PIV.

Herausforderungen sind instabile Grenzflächen, Phasenwechsel, Koaleszenz, große Dichteverhältnisse, Turbulenzkopplung und hohe Rechenkosten. Ziel ist robustere Modelle, bessere Messdaten und effizientere Numerik.