Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die numerische Modellierung und Untersuchung von Siedephänomenen. Der Wärmetransport beim Sieden ist äußerst effizient und kommt daher in vielen Anwendungen im Bereich der Kraftwerks- und der Verfahrenstechnik aber auch bei der Kühlung von Hochleistungselektronik zum Einsatz.

Die genaue Kenntnis über bestimmte Siedevorgänge sowie deren relevante Parameter und Grenzen ist unerlässlich für den optimalen Einsatz in einer technischen Anwendung. Aus diesem Grund sind die physikalischen Grundlagen des Siedens in den vergangenen Jahrzehnten intensiv erforscht worden und auch aktuell noch immer Gegenstand vieler Forschungsvorhaben in aller Welt. Trotz dieser Bemühungen sind viele Aspekte des Siedevorgangs noch immer nur unvollständig verstanden.

Vor allem die sehr kleinen Zeit- und Längenskalen stellen hierbei Schwierigkeiten dar. Neben hochauflösenden experimentellen Untersuchungen, hat sich in den letzten Jahren auch die numerische Modellierung von Siedephänomenen in der Grundlagenforschung etabliert. Allerdings sind viele der bestehenden Modelle und Methoden hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit sehr stark eingeschränkt, insbesondere hinsichtlich der dreidimensionalen Simulation von Siedevorgängen in komplexer Geometrie. Der Einsatz von komplexer Heizwandgeometrie ist jedoch eine vielversprechende Möglichkeit um die Nachfrage nach immer effizienteren Wärmeübertragern zu erfüllen und sollte daher auch numerisch untersucht werden können.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein numerisches Modell entwickelt, mit dem Siedevorgänge in beliebig komplexer Geometrie mit hoher Genauigkeit simuliert werden können. Das Modell basiert auf der Volume-of-Fluid Methode der Computational Fluid Dynamics Software OpenFOAM und löst alle für das Sieden relevanten Zeit- und Längenskalen auf. Letzteres gilt insbesondere für den mikroskopisch kleinen, aber für das Blasensieden äußerst relevanten, Bereich der 3-Phasen-Kontaktlinie, in dem die Dampf-Flüssig-Phasengrenze auf die Wand trifft.

Die vorliegende Dissertationsschrift enthält eine detaillierte Beschreibung des entwickelten Modells sowie ausführliche Informationen zu dessen Validierung. Darüber hinaus werden Simulationen von verschiedenen Siedephänomenen vorgestellt, deren Ergebnisse diskutiert und mit bereits veröffentlichten, vorranging experimentellen Daten verglichen. Die durchgeführten Simulationen umfassen Blasensieden von Einzelblasen und koaleszierenden Blasen, Strömungssieden in einer wandnahen Scherströmung, Sieden in einem strukturierten Mikrokanal sowie Filmsieden von Tropfen (Leidenfrost-Phänomen). Es konnte eine gute Übereinstimmung zu bereits veröffentlichten Ergebnissen erzielt werden. Darüber hinaus ermöglichen die hochaufgelösten Simulationen eine detaillierte Analyse der komplexen Transportvorgänge und damit einen Erkenntnisgewinn, welcher die experimentell gewonnenen Erfahrungen und Erkenntnisse deutlich erweitert. Ein Beispiel hierzu ist die experimentell belegte aber bislang nicht verstandene Entstehung eines eingeschlossenen Tropfens innerhalb einer koaleszierten Blase. Die detaillierte Analyse der Simulationsergebnisse ermöglicht die Klärung der Ursachen für die Tropfenentstehung und führt somit zu einem Erkenntnisgewinn, der rein durch Experimente nicht möglich gewesen wäre.

Zusammenfassend beinhaltet die vorliegende Arbeit die Entwicklung, Implementierung und Validierung des Siedemodells sowie ein breites Spektrum an Simulationen zu unterschiedlichen Siedephänomenen. Letztere zeigen sehr deutlich das Potential der numerischen Untersuchung von Siedephänomenen im Bereich der Grundlagenforschung und bei der Auslegung von kleinen Siedeapparaten.