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Numerical simulation of bubble growth in subcooled pool and flow boiling under microgravity conditions

Franz, Benjamin (2021):
Numerical simulation of bubble growth in subcooled pool and flow boiling under microgravity conditions. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019063,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Numerical simulation of bubble growth in subcooled pool and flow boiling under microgravity conditions
Language: English
Abstract:

Nucleate boiling is a process, that allows heat transfer characterized by high heat flows at low temperature differences. It is therefore employed in a wide range of industrial applications from the chemical industry over power generation to cooling. It is also a promising method for the cooling e.g. of electronic devices in space applications.

Until today, the design of heat exchangers, which employ nucleate boiling, relies on purely empirical correlations. The heat transfer correlations obtained under 1-g conditions cannot be employed for the design of heat exchangers operating in space. Heat and fluid flow mechanisms under microgravity conditions are not sufficiently understood, e.g. typical time and length scales during boiling in microgravity are larger compared to those under 1-g conditions. The latter is in turn promising for the experimental investigation of the boiling process in general and to draw conclusions for boiling under 1-g conditions. The objective is to find physically based correlations for the boiling process in general and to make the process more predictable.

In order to obtain deeper insight into the mechanisms dominating the boiling process in microgravity, a benchmark experiment was designed for operation aboard the International Space Station ISS. For the present thesis, CFD simulations of the boiling process are performed additional to that experiment. The numerical model employed uses the VOF method to cover the two-phase flow and includes models for the treatment of phase change, contact line evaporation and transient heat transfer between the wall and the fluid. It is further developed to account for specific design features of the reproduced experiment.

3-D simulations of multiple growing and moving vapor bubbles in a laminar, subcooled shear flow inside the boiling cell are conducted. Parameter studies are performed to investigate the impact of flow velocity, input heat flux, pre-heating time and subcooling on the hydrodynamics and heat transfer around vapor bubbles. Selected material properties of the fluid and the solid are varied, as well. In a second study simulations of bubble growth and detachment at the cavity, which serves as nucleation site in the experiment, are carried out.

For intermediate values of the above mentioned experimental parameters, vapor bubbles grow to an equilibrium volume determined by evaporation at the bubble foot and condensation to the subcooled bulk. Contact line evaporation shows a significantly higher share in the overall evaporation heat flow, than it does in studies conducted under 1-g conditions. A high input heat flux, a long pre-heating time and a low subcooling provoke a highly complex flow pattern of bubbles, which rapidly emerge after one another and coalesce, letting the initial bubble grow beyond its equilibrium volume. This causes a decreasing heat transfer coefficient. A choice of parameters, which causes a high number of small, distant vapor bubbles, appears advantageous for optimized heat transfer.

The cavity simulations show, that the influence of the nucleation process on the flow and temperature field outside the cavity cannot be ignored. Furthermore, for the correlation between detachment diameter of a vapor bubble from a cavity and flow velocity a non-dimensional approach is developed.

The present work shows both the advantages as well as the challenges of the employed numerical model to reproduce the according experimental setup. The impact of system parameters and material properties on bubble growth and heat transfer performance is examined and recommendations on the choice of parameters are given.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

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.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIV, 131 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD) > Boiling & Exaporation
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio) > Collaborative Research Centres > CRC 1194: Interaction between Transport and Wetting Processes
Date Deposited: 14 Jul 2021 07:42
Last Modified: 14 Jul 2021 07:42
DOI: 10.26083/tuprints-00019063
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-190633
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter ; Colin, Prof. Catherine
Refereed: 16 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19063
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