Durch die Verwendung von strukturierten Oberflächen ist es möglich, den Wärmeübergang beim Blasensieden zu verbessern. Hinterschnittene Oberflächen, bestehend aus Kanälen, die über Poren mit dem Flüssigkeitsbehälter verbunden sind, haben sich dabei im Einsatz auf Wärmeübertragerrohren bewährt. Obwohl sich diese Strukturen seit Jahrzehnten im Einsatz befinden, sind einige Zusammenhänge noch nicht verstanden und vorhandene Modelle nicht in der Lage den Siedeprozess vorherzusagen. Durch die schnelle Entwicklung numerischer Methoden ist es heute möglich, Siedeprozesse zu simulieren und diese damit mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu untersuchen.

In der vorliegenden Arbeit werden numerische Simulationen des Siedens an hinterschnittenen Oberflächen durchgeführt. Es werden die Prozesse in einzelnen Kavitäten sowie in einem Kanalausschnitt betrachtet. Die Form und Größe der Kavität, des Kanals und der Pore werden variiert, um den Einfluss der Geometrie auf den Prozess zu untersuchen. Weiterhin wird ein vereinfachtes Modell entwickelt, um die Strömung in den Kanal mit reduziertem Aufwand berechnen und eine größere Anzahl an Parameterkombinationen betrachten zu können.

Der verwendete Strömungslöser wurde bereits in vorangegangenen Arbeiten validiert und hier angepasst zur Berechnung kapillarer Strömungen bei kleinen Kontaktwinkeln. Das vereinfachte Modell basiert auf der Lösung der Young-Laplace Gleichung, um den Drucksprung an den Phasengrenzen zu erhalten. Mithilfe der Druckdifferenzen kann der Zusammenhang zwischen Blasenwachstum und Entwicklung des Filmvolumens berechnet werden. Bei der Vorhersage des Filmvolumens im Kanal zeigen die numerische Simulation und das vereinfachte Modell eine gute Übereinstimmung.

Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass es schwierig ist, mit isolierten Kavitäten mit einer einzigen Pore stabile Flüssigkeitsfilme in der Kavität zu erhalten. Mit einer zusätzlichen Verbindung zwischen Flüssigkeitsfilm und Flüssigkeitsbehälter ist es dagegen möglich, ähnliche Siedeprozesse in der Kavität zu beobachten, wie sie an Kanälen mit Poren auftreten. Die Ergebnisse der Simulation mit dem Kanalausschnitt deuten auf einen großen Einfluss der Porengröße und Porenform auf den Betriebszustand hin. Durch die Verdampfung dünner Flüssigkeitsfilme in der Struktur erhält man sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten für die eingesetzten Geometrien.

Die Parameterstudie unter Verwendung des vereinfachten Modells erlaubt die Untersuchung des Einflusses geometrischer Größen auf den Betriebsbereich. Basierend auf dem Modell können außerdem charakteristische dimensionslose Größen abgeleitet werden, die den Siedeprozess bestimmen. Kleine Blasen zusammen mit tiefen und breiten Kanälen verhindern ein Fluten der Struktur. Das Austrocknen der Struktur kann mit großen offenen Porenflächen vermieden werden. Es wird vorgeschlagen zwei zusätzliche Betriebszustände in zukünftigen Modellierungsansätzen zu berücksichtigen, welche das partielle Fluten und das partielle Austrocknen der Struktur abbilden.

In dieser Arbeit wurden numerische Simulationen und eine Analyse des Siedeprozesses an strukturierten Oberflächen durchgeführt. Beides fördert das Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Parametern und führt zu Empfehlungen in Bezug auf die Gestaltung der Struktur und der Modellierung des Wärmetransportes.