Blasensieden ist ein Wärmetransportprozess, der hohe Wärmeströme bei gleichzeitig niedrigen Temperaturdifferenzen ermöglicht. Es kommt daher in einem weiten Spektrum industrieller Anwendungen, von der chemischen Industrie über die Stromerzeugung bis zur Kühlung, zum Einsatz. Es stellt ebenfalls eine vielversprechende Methode z.B. zur Kühlung elektronischer Bauteile in Weltraumanwendungen dar.

Bis heute erfolgt die Auslegung von Wärmeübertragern mit Blasensieden ausschließlich mit empirischen Korrelationen. Die Korrelationen zum Wärmetransport, die unter Erdschwerkraft gewonnen wurden, können für die Auslegung von Wärmeübertragern im Weltall nicht verwendet werden. Wärmetransport und Strömung in Schwerelosigkeit sind dafür noch nicht ausreichend verstanden, z.B. sind typische Zeit- und Längenskalen beim Sieden in Schwerelosigkeit länger im Vergleich zu 1-g-Umgebungen. Letzteres macht man sich wiederum zu Nutze, um den Siedeprozess allgemein experimentell zu untersuchen und Rückschlüsse auf Sieden unter Erdschwerkraft zu ziehen. Ziel ist, physikalisch gestützte Korrelationen zum Siedeprozess allgemein zu finden und den Prozess vorhersagbarer zu machen.

Um einen tieferen Einblick in die Mechanismen zu erhalten, die beim Sieden in Schwerelosigkeit dominieren, wurde ein Experiment zum Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS entwickelt. Für die vorliegende Arbeit werden CFD-Simulationen des Siedeprozesses in Ergänzung zu diesem Experiment durchgeführt. Das numerische Verfahren nutzt die VOF-Methode zur Darstellung der Zweiphasenströmung und enthält Modelle, um Phasenwechsel, Kontaktlinienverdampfung und den transienten Wärmetransport zwischen Wand und Fluid zu berücksichtigen. Es wird weiterentwickelt, um die spezifischen Eigenschaften des Experimentes zur berücksichtigen.

Es werden 3-D-Simulationen mehrerer wachsender, bewegter Dampfblasen in einer laminaren, unterkühlten Scherströmung in der Siedezelle durchgeführt. In Parameterstudien wird der Einfluss von Strömungsgeschwindigkeit, Wärmezufuhr, Vorheizzeit und Unterkühlung auf die Hydrodynamik und den Wärmetransport an Dampfblasen untersucht. Ausgewählte Stoffwerte des Fluids und der Wand werden ebenfalls variiert. In einer weiteren Studie werden Simulationen des Blasenwachstums und -abrisses an der Kavität, die im Experiment als Keimstelle dient, durchgeführt.

Für mittlere Werte der o.g. experimentellen Parameter stellt sich bei Dampfblasen ein Gleichgewichtsvolumen durch Verdampfung am Blasenfuß und Kondensation an der Blasenkappe ein. Die Kontaktlinienverdampfung macht einen deutlich größeren Anteil am gesamten Verdampfungswärmestrom aus als unter 1-g-Bedingungen. Hohe Wärmezufuhr, lange Vorheizzeit und geringe Unterkühlung sorgen für ein sehr komplexes Strömungsbild mit schnell hintereinander entstehenden und koaleszierenden Dampfblasen, wodurch die erste Blase über ihr Gleichgewichtsvolumen hinaus anwächst. Das führt zu einem sinkenden Wärmeübergangskoeffizienten. Eine Parameterwahl, die zu einer Vielzahl kleiner, voneinander entfernter Blasen führt, scheint vorteilhaft für einen guten Wärmeübergang.

Die Kavitätssimulationen zeigen, dass der Einfluss des Nukleationsprozesses auf das Strömungs- und Temperaturfeld außerhalb der Kavität nicht vernachlässigt werden kann. Weiterhin wird für den Zusammenhang zwischen dem Abrissdurchmesser einer Blase von einer Kavität und der Strömungsgeschwindigkeit eine dimensionslose Beziehung entwickelt.

Die vorliegende Arbeit zeigt sowohl die Vorteile als auch die Herausforderungen des numerischen Modells beim Nachbilden des dazu gehörenden Experiments. Der Einfluss von Systemparametern und Stoffeigenschaften auf das Blasenwachstum und den Wärmeübergang wird untersucht und Empfehlungen zur Wahl der Parameter werden gegeben.