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Hydrodynamics and Heat Transfer in Gas-Driven Liquid Film Flows

Budakli, Mete :
Hydrodynamics and Heat Transfer in Gas-Driven Liquid Film Flows.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Hydrodynamics and Heat Transfer in Gas-Driven Liquid Film Flows
Language: English
Abstract:

In many technical applications such as cooling systems used in chemical industry and fuel injection systems of modern gas turbines, thin liquid films driven by gravity or turbulent gas stream can be found. Since the thermo-hydrodynamic process in such liquid-gas flow configuration is rather complex, the transport mechanisms are not well understood. However, numerical simulations or theoretical models rely on these mechanisms. Experimental investigations are necessary in order to delineate this complex thermo-hydrodynamic phenomenon and to provide validation data to the theoreticians. The main objective of this work is to study the hydrodynamics and convective heat transfer in gravity and gas-driven thin liquid films on uniformly heated walls. To achieve this, an experimental set-up has been designed and measurements were performed in a flow channel. The liquid film was annularly applied on a vertically mounted heated tube. In the arranged two-phase flow domain, both fluids were thermally and hydrodynamically developing. The Reynolds numbers of liquid and gas flows were varied between 80 - 800 and 10000 - 100000, respectively. The wall heat flux was kept constant at 15 W/cm2. The gas velocity profile in the flow channel was measured with hot-wire anemometry to determine the shear stresses on the dry wall surface. The effect of surface topography of the wall was investigated. The hydrodynamics and heat transfer of gas-driven liquid films was studied on micro-structures heated tubes. The dynamics of the liquid film flow was recorded by high-speed shadowgraphy technique. Using the high-speed images, the wave amplitudes and wave frequencies were determined. A high-speed infrared camera was used to qualitatively visualize the film rupture on micro-structured surfaces. The wall temperature distribution in streamwise direction was measured using thermocouples embedded inside the heated wall. Correlations for Nusselt number at unstructured surfaces have been proposed. This study reveals that the action of shear stress at a thin liquid layer flowing along an unstructured wall has a remarkable influence on the stability of the liquid-gas interface. Disturbances at the liquid film surface appear as the shear stress reaches a critical value. Measurements at various axial locations show that the fluctuations grow in the flow direction. The rate of growth is determined by the gas and liquid mass flow rates. With the increase in liquid Reynolds number, the liquid free-surface deformation is suppressed and the temporal film thickness fluctuations in the flow direction either decrease slightly or remain constant. A significant enhancement in heat transfer happens when the shear stress at the liquid-gas interface increases. However, there exists a threshold level of shear stress, only beyond which this is true. This exists as identified by comparing the experimentally determined heat transfer coefficients with the solutions of the classical Graetz-Nusselt model. Furthermore, the Nusselt numbers are compared with the Nusselt numbers of laminar, hydrodynamically and thermally developed falling films, falling films which develop thermally and those which are in the transition regime from laminar to turbulent flow, and with a turbulence model used from the literature. The comparison shows, that above gas Reynolds numbers larger than 70000, the heat transfer coefficient is following the trend predicted by the turbulence model. Micro-structures have significant influence on the waviness of gas-driven liquid films. With increasing shear stress and liquid mass flow rate, the film waviness increases. Especially micro-structures embossed with obstacles normal to the flow direction lead to large wave amplitudes and high wave frequencies at low shear stress compared to the unstructured surface and the surfaces, incorporating structures oriented parallel to the flow direction. At low liquid mass flow rates and high shear stress, the area of local film rupture increases. Furthermore, micro-structures significantly enhance the heat transfer compared to the unstructured surface. Especially micro-structures combined by longitudinal and horizontal geometries are very effective in heat transfer enhancement at low shear stress and comparably low liquid mass flow rates.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In zahlreichen technischen Anwendungen, wie Kühlsysteme in der chemischen Industrie oder Kraftstoffeinspritzsystemen von modernen Gasturbinen, spielen gasgetriebene, dünne Flüssigkeitsfilme eine wichtige Rolle für den Wärmeübergang. Aufgrund der hohen Komplexität der thermo-hydrodynamischen Vorgänge, die in solchen Flüssig/Gas-Strömungen ablaufen, sind die Transportmechanismen nicht vollständig verstanden. Numerische Simulationen und theoretische Modellierungen sind auf deren Kenntnis jedoch angewiesen. Daher sind experimentelle Untersuchungen notwendig, die dieses komplexe thermohydrodynamische Phänomen beschreiben und den Theoretikern Validierungsdaten liefern. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist ein besseres Verständnis und Beschreibung der Hydrodynamik und des konvektiven Wärmeübergangs in gravitations- und gasgetriebenen dünnen Flüssigkeitsfilmen, die entlang an einer beheizten Wand strömen. Dafür wurde ein Versuchskanal aufgebaut und Experimente durchgeführt. Der Flüssigkeitsfilm wurde ringförmig an einem vertikal montierten beheizten Rohr aufgetragen. Das entsprechende Zwei-Phasenströmungsfeld wurde so konfiguriert, dass sich beide Fluide sowohl thermisch als auch hydrodynamisch entwickeln konnten. Die Reynolds-Zahlen der Flüssigkeitsund Gasströmung wurden im Bereich von 80 bis 800 bzw. 10000 bis 100000 variiert. DieWandwärmestromdichte wurde bei 15 W/cm2 konstant gehalten. Um die Scherspannung an der beheizten Wand zu bestimmen, wurden die Geschwindigkeitsprofile der Gasströmung im Versuchskanal mit der Hitzdrahtanemometrie gemessen. Außerdem wurde der Einfluss der Oberflächentopographie der beheizten Wand ermittelt. Hierfür wurden die Hydrodynamik und der Wärmeübergang von gasgetriebenen Flüssigkeitsfilmen auf mikrostrukturierten, beheizten Rohroberflächen studiert. Zur Untersuchung der Filmdynamik, wurden schattenfotographische Hochgeschwindigkeitsaufzeichnungen durchgeführt und daraus die Wellenamplituden und Wellenfrequenzen der Filmströmung bestimmt. Der Filmaufriss an mikrostrukturierten Oberflächen wurde mit einer Hochgeschwindigkeits- Infrarotkamera qualitativ visualisiert. Die Wandtemperaturverteilung in Strömungsrichtung wurde mit Thermoelementen gemessen. Korrelationen zur Berechnung von Nußelt-Zahlen für die unstrukturierten Oberflächen wurden vorgeschlagen. Diese Studie zeigt, dass die Stabilität der Flüssigkeits/Gas-Grenzfläche von gasgetriebenen Flüssigkeitsfilmen an unstrukturierten Oberflächen erheblich von der Scherspannung beeinflusst wird. Störungen bzw. Instabilitäten an der Filmoberfläche treten ein, sobald die Scherspannung einen kritischen Wert erreicht. Messungen zeigen, dass die Instabilitäten in Strömungsrichtung wachsen. Dabei wird die Entwicklung der Instabilitäten durch die Gas- und Flüssigkeitsmassenströme bestimmt. Mit der Zunahme der Flüssigkeits-Reynolds-Zahl werden die Deformationen an der freien Oberfläche der Flüssigkeit unterdrückt, die Fluktuationen der Filmdicke in Strömungsrichtung hingegen nur geringfügig bis gar nicht reduziert. Eine wesentliche Verbesserung der Wärmeübertragung tritt ein, wenn die Scherspannung an der Flüssigkeits/Gas-Grenzfläche ansteigt, vorausgesetzt eine bestimmte kritische Scherspannung ist überschritten. Letzteres wurde insbesondere für die Filmströmung an einer unstrukturierten Oberfläche untersucht. Die Existenz dieses Schwellenwertes wurde durch den Vergleich der experimentell ermittelten Nußelt-Zahlen mit dem klassischen Graetz-Nußelt-Modell identifiziert. Darüber hinaus wurden die Nußelt-Zahlen aus dem Experiment mit denen von Fallfilmen unterschiedlicher thermohydrodynamischer Strömungszustände aus der Literatur verglichen. Für Scherspannungen unterhalb des Schwellenwertes sind die experimentellen Nußelt-Zahlen vergleichbar mit den Nußelt-Zahlen von laminaren, hydrodynamisch und thermisch entwickelten Fallfilmen bzw. von Fallfilmen, die im thermischen Anlauf sind oder sich im Übergangsbereich von laminar zu turbulent befinden. Ein weiterer Vergleich mit einem in der Literatur vorliegenden Turbulenzmodell zeigt, dass die Nußelt-Zahlen für Gas-Reynolds-Zahlen größer 70000 der Prognose des Turbulenzmodells folgen und somit höher sind als die mit geringerer Gas-Reynolds-Zahl. Mikrostrukturen haben einen signifikanten Einfluss auf die Welligkeit von gasgetriebenen Flüssigkeitsfilmen. Mit wachsender Scherspannung und Flüssigkeitsmassenstrom, nimmt auch die Filmwelligkeit zu. Besonders Mikrostrukturen, die rechtwinklige Hindernisse zur Strömungsrichtung darstellen, führen zu großen Wellenamplituden und hohen Wellenfrequenzen bei geringer Scherspannung. Im Vergleich dazu sind die Wellenamplituden und Wellenfrequenzen von gasgetriebenen Filmströmungen an unstrukturierten Oberflächen und Oberflächen, mit parallel zur Strömungsrichtung angeordneten Strukturen geringer. Außerdem kommt es häufiger zu lokalen Filmaufrissen bei geringerem Flüssigkeitsmassenstrom und höherer Scherspannung. Durch den Einsatz von Mikrostrukturen kann eine wesentliche Verbesserung der Wärmeübertragung verglichen mit der unstrukturierten Oberfläche erreicht werden. Besonders Oberflächen, die mit zur Strömungsrichtung längs- und horizontalangeordneten Geometriekombinationen versehen sind, führen zu einer Erhöhung der Wärmeübertragung bei verhältnismäßig geringer Scherspannung und geringem Flüssigkeitsmassenstrom.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Gas-driven Film Flow, Shear-Stress, Hydrodynamics, Heat Transfer, Wavy Film, Microstructured surface
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
16 Department of Mechanical Engineering > Institut für Energiesysteme und Energietechnik (EST)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion (GLR)
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
16 Department of Mechanical Engineering > Chair of Thermal Process Engineering (TVT)
07 Fachbereich Chemie > Fachgebiet Technische Chemie
Date Deposited: 26 Jan 2015 11:29
Last Modified: 26 Jan 2015 11:29
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43473
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter and Gambaryan-Roisman, PD Dr. Tatiana and Tropea, Prof. Dr. Cameron
Refereed: 13 May 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4347
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