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Experimental investigation of fluid dynamics and heat transport during single and multiple drop impingement onto a superheated wall

Gholijani, Alireza (2023)
Experimental investigation of fluid dynamics and heat transport during single and multiple drop impingement onto a superheated wall.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023338
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Experimental investigation of fluid dynamics and heat transport during single and multiple drop impingement onto a superheated wall
Language: English
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter ; Gambaryan-Roisman, Apl. Prof. Tatiana ; Hussong, Prof. Dr. Jeanette
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIV, 127 Seiten
Date of oral examination: 28 February 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023338
Abstract:

This thesis is devoted to experimental investigation of hydrodynamics and heat transport during the impingement of a single drop and multiple drops onto a wall, whose temperature is above the liquid saturation temperature and below the onset of nucleate boiling. The drop impingement onto heated surfaces occurs in many industrial applications, for instance, spray cooling, which is considered among the most efficient cooling methods. By considering the fact that spray systems are comprised of an enormous number of interacting drops, a detailed characterization of fluid dynamics and heat transport mechanisms during the impact of individual drops throughout spraying process is complicated. Thus, many studies concentrate on fluid dynamics and heat transport mechanisms of a single drop or a group of drops impacting onto a surface under well-controlled conditions to obtain detailed knowledge of underlying physics of the spray cooling process. Although the drop dynamics during the isothermal drop impingement (non-heated surface) has been widely studied in the past decades, the fluid dynamics and heat transfer to the drop during the impingement process in the non-isothermal case (heated surface), in which evaporation plays a crucial role is not fully understood yet. Numerous studies on pool boiling and meniscus evaporation have reported a temperature minimum and accordingly, a huge evaporation rate in proximity of the three-phase contact line, where solid, liquid, and gas phases meet each other. The evaporation in this region constitutes a significant fraction of the overall heat transfer. Hence, any alteration in physical or thermodynamical parameter on the three-phase contact line could strongly affect the overall heat transfer. Some examples of influencing parameters are wall superheat, impact velocity, drop size, system pressure, and surface morphology. These parameters also affect the convection, considered to be the main heat transfer mechanism at the early stages of drop impingement. Therefore, the effects of aforementioned parameters on fluid dynamics and heat transport are investigated in the scope of this thesis. This study employs a high-resolution temperature measurement technique, allowing high temporal and spatial resolution of the heat flux. It is an accurate and detailed approach to investigate the drop hydrodynamics and heat transport mechanism during non-isothermal drop impact. The experimental results reveal that higher wall superheats, higher impact velocities, larger drop diameters, and lower system pressures each result in increasing heat flow to the drop after the impingement. The maximum spreading radius after impingement increases with the increase of impact velocity and impact diameter, and decreases with the increase of wall superheat and system pressure. Besides, the impact of a drop onto a porous surface is accompanied by lower heat flow at the early stages of impact, while it enhances significantly at the late stages of impact. The heat flow enhancement is due to the large solid–liquid contact area caused by the drop pinning effect. The last part of the thesis focuses on impingement of multiple drops onto a superheated wall as it represents a next step in modeling of spray systems compared to a single drop impact. Multiple drop impingement is far less investigated than the single drop impingement due to its complexity of the fluid mechanic and heat transfer mechanisms. In this thesis, hydrodynamics and heat transport during vertical and horizontal coalescence of multiple drops (successive and simultaneous drop impact) over a heated surface are addressed, as well. The investigations reveal that the solid–liquid contact area and accordingly heat flow rise after successive impacts. However, drop coalescence during simultaneous drop impingement delivers lower heat flow in comparison with non-coalescence cases. The experimental results of single drop impact onto a bare heater and at atmospheric pressure are compared against the numerical model developed in the author’s institute. A good agreement between measurements and model predictions has been observed. The simulation results are used to present a more accurate analysis and interpretation of the experimental results.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Diese Arbeit widmet sich experimentellen Untersuchungen zur Hydrodynamik und zum Wärmetransport beim Aufprall eines einzelnen sowie mehrerer Tropfen auf eine Wand, deren Temperatur oberhalb der Sättigungstemperatur der Flüssigkeit und unterhalb des Blasensiedebeginns liegt. Der Tropfenaufprall auf beheizte Oberflächen kommt in vielen industriellen Anwendungen vor, z.B. bei der Sprühkühlung, die als eine der effizientesten Kühlmethoden gilt. In Anbetracht der Tatsache, dass Sprühsysteme aus einer enormen Anzahl von interagierenden Tropfen bestehen, ist eine detaillierte Charakterisierung der Fluiddynamik und der Wärmetransportmechanismen während des Auftreffens einzelner Tropfen während des Sprühvorgangs kompliziert. Daher konzentrieren sich viele Studien auf die Fluiddynamik und der Wärmetransportmechanismen eines einzelnen Tropfens, der unter gut kontrollierten Bedingungen auf eine Oberfläche auftrifft, um detaillierte Kenntnisse über die zugrunde liegende Physik des Sprühkühlungsprozesses zu erhalten. Obwohl die Tropfendynamik während des isothermen Tropfenaufpralls (nicht beheizte Oberfläche) in den letzten Jahrzehnten umfassend untersucht wurde, ist die Fluiddynamik und der Wärmeübergang auf den Tropfen während des Aufprallprozesses im nicht-isothermen Fall (beheizte Oberfläche), bei dem die Verdampfung eine entscheidende Rolle spielt, noch nicht vollständig verstanden. Zahlreiche Studien zum Behältersieden und zur Meniskusverdampfung haben ein Temperaturminimum und dementsprechend eine hohe Verdampfungsrate in der Nähe der Dreiphasen-Kontaktlinie, wo feste, flüssige und gasförmige Phasen aufeinander treffen, festgestellt. Die Verdampfung in diesem Bereich macht einen signifikanten Anteil am gesamten Wärmeübergang aus. Diese Parameter wirken sich auch auf die Konvektion aus, die als Hauptwärmetransportmechanismus in den frühen Phasen des Tropfenaufpralls gilt. Daher kann jede Änderung der physikalischen oder thermodynamischen Parameter an der Dreiphasen-Kontaktlinie den gesamten Wärmeübergang stark beeinflussen. Einige Beispiele für beeinflussende Parameter sind Wandüberhitzung, Aufprallgeschwindigkeit, Tropfengröße, Systemdruck und Oberflächenmorphologie. Daher werden im Rahmen dieser Arbeit die Auswirkungen der genannten Parameter auf die Fluiddynamik und den Wärmetransport untersucht. In dieser Studie wird eine hochauflösende Temperaturmesstechnik eingesetzt, die eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung des Wärmestroms ermöglicht. Es handelt sich um einen genauen und detaillierten Ansatz zur Untersuchung der Hydrodynamik des Tropfens und des Wärmetransportmechanismus beim nicht-isothermen Tropfenaufprall. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass höhere Wandüberhitzungen, höhere Aufprallgeschwindigkeiten, größere Tropfendurchmesser und niedrigere Systemdrücke jeweils zu einem zunehmenden Wärmestrom zum Tropfen nach dem Aufprallführen. Der maximale Ausbreitungsradius nach dem Aufprall nimmt mit der Erhöhung der Aufprallgeschwindigkeit und des Aufpralldurchmessers zu und sinkt durch die Erhöhung der Wandüberhitzung und des Systemdrucks. Außerdem kommt es beim Aufprall eines Tropfens auf eine poröse Oberfläche zu einem geringeren Wärmestrom in den frühen Phasen des Aufpralls, während er in den späten Phasen des Aufpralls deutlich zunimmt. Die Erhöhung des Wärmestroms ist auf die große Fest-Flüssig-Kontaktfläche zurückzuführen, die durch den Tropfen-Pinning-Effekt verursacht wird. Der letzte Teil der Arbeit konzentriert sich auf das Auftreffen mehrerer Tropfen auf eine überhitzte Wand, da dies industrielle Sprühsysteme besser beschreibt, als das Auftreffen einzelner Tropfen. Der Mehrfachtropfenaufprall ist aufgrund der Komplexität der Strömungsmechanik und der Wärmeübertragungsmechanismen weit weniger untersucht als der Einzeltropfenaufprall. In dieser Arbeit werden auch die Hydrodynamik und der Wärmetransport während der vertikalen und horizontalen Koaleszenz mehrerer Tropfen (sukzessiver und gleichzeitiger Tropfenaufprall) auf einer beheizten Oberfläche behandelt. Die Untersuchungen zeigen, dass die Fest-Flüssig-Kontaktfläche und damit der Wärmestrom nach aufeinanderfolgenden Aufprallvorgängen ansteigen. Allerdings liefert die Tropfenkoaleszenz beim gleichzeitigen Tropfenaufprall einen geringeren Wärmestrom im Vergleich zu den Fällen ohne Koaleszenz. Die experimentellen Ergebnisse des Einzeltropfenaufpralls auf einen glatten Heizer und bei atmosphärischem Druck werden mit einem numerischen Modell verglichen, das im Institut des Autors entwickelt wurde. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den Messungen und den Modellvorhersagen beobachtet. Die Simulationsergebnisse werden verwendet, um eine genauere Analyse und Interpretation der experimentellen Ergebnisse zu präsentieren.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-233383
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 21 Mar 2023 13:09
Last Modified: 22 Mar 2023 10:49
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23338
PPN: 506192598
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