Numerical investigation of drop impingement onto superheated walls

Efficient thermal management is crucial for electronic components. Spray cooling is a promising technique for this purpose due to its high heat removal capacity. Spray cooling performance is determined by the processes during single and multiple drop impingement onto superheated walls. Texturing the wall surface can further enhance the heat transfer during spray cooling. The present numerical investigation aims to narrow the research gap between the basic single drop impingement on smooth walls and the more complex spray impact, focusing on the drop coalescence on smooth, superheated walls and the single drop impingement on textured, superheated walls. The present work investigates drop impingement based on experimental studies in the drop deposition and film evaporation regime using perfluorohexane (FC-72) in a vapor atmosphere at ambient pressure. The wall consist of calcium fluoride. Typical impact parameters such as initial drop diameter, impact velocity, and wall superheat are D_0 = 1.14 mm, u_0 = 0.54 m/s, and ΔT = 9.8 K, respectively. The corresponding Reynolds, Weber, Bond, and Jakob numbers are 2230, 62.4, 0.6, and 0.13, respectively. A numerical model based on the volume of fluid method is used, accounting for evaporation at the liquidvapor interface and for heat conduction in the solid region. A subgrid model determines the heat flow at the contact line and the dynamic contact angle. The study investigates the impingement of successive drops and drop trains, also known as vertical coalescence, onto smooth, superheated walls with different time intervals between the drops. The heat transfer rate in the case where the drop impact takes place during the spreading phase of the previous drop is higher in comparison to both a single drop with a double volume and the cases where the drop impact takes place during the receding or sessile drop phase of the previous drop. Contrary, drop trains show that large drops with long time intervals transfer heat more efficiently than small drops with small time intervals. Previous impinged drops on the wall generally reduce the heat flux for all subsequent drops. During the spreading of the second drop, multiple rings of high heat flux are observed due to a wavy flow field. Simultaneous and non-simultaneous impingement of two drops side-by-side as well as drop array impingement, also known as horizontal coalescence, is also investigated. A decreasing horizontal distance between the drops reduces the heat transfer compared to two non-interacting drops, with little influence from the time interval between the drops. The numerical model is able to describe the experimentally observed temporary coalescence. During the simultaneous drop array impingement with a small spacing, an uprising liquid jet is observed which is not observed during the simultaneous drop impingement. Small and medium spacings result in the formation of a thin film during drop array impingement, leading to high average heat flux. In addition, the single drop impingement on textured, superheated walls with rectangular pillars of various dimensions and arrangements is investigated. Walls with small pillars show the highest heat transfer, with low pillars and small gaps between the pillars being advantageous. The heat flow increases linearly with the wetted area, making surface texturing promising for heat transfer enhancement. The impact velocity has an effect on the convective heat transport during the spreading phase, but only slightly on the sessile drop phase. The shapes of the wetted areas of the sessile drop, ranging from square to octagonal to circular, depend on pillar size and arrangement. Capillary spreading of an advancing liquid front on walls with rectangular pillars is also investigated. These investigations enhance the understanding of fluid dynamics and heat transport in spray cooling. In particular, this work explains experimentally observed phenomena that were nearly understood, such as rings of high heat flux during the vertical coalescence. In addition, this work analyzes relevant drop impingement configurations that have not yet been studied. From this, recommendations for efficient spray cooling, i.e. spray parameters and surface texturing, can be derived.

Ein effizientes Wärmemanagement ist für elektronische Bauteile von entscheidender Bedeutung. Die Spraykühlung ist aufgrund ihrer hohen Wärmeabfuhrkapazität eine vielversprechende Technik für diesen Zweck. Die Leistung der Spraykühlung wird durch die Vorgänge beim Aufprall einzelner und mehrerer Tropfen auf überhitzte Wände bestimmt. Die Strukturierung der Wandoberfläche kann die Wärmeübertragung während der Spraykühlung weiter verbessern. Die vorliegende numerische Untersuchung zielt darauf ab, die Forschungslücke zwischen dem grundlegenden Einzeltropfenaufprall auf glatte Wände und dem komplexeren Sprayaufprall zu verkleinern, wobei der Schwerpunkt auf der Tropfenkoaleszenz auf glatten, überhitzten Wänden und dem Einzeltropfenaufprall auf strukturierten, überhitzten Wänden liegt. In der vorliegenden Arbeit wird der Tropfenaufprall, angelehnt an experimentellen Studien, in den Regimen "drop deposition" und "film evaporation" unter Verwendung von Perfluorhexan (FC-72) in einer Dampfatmosphäre bei Umgebungsdruck untersucht. Die Wand besteht aus Calciumfluorid. Typische Aufprallparameter wie der anfängliche Tropfendurchmesser, die Aufprallgeschwindigkeit und die Wandüberhitzung sind D_0 = 1.14 mm, u_0 = 0.54 m/s bzw. ΔT = 9.8 K. Die entsprechenden Reynolds-, Weber-, Bond- und Jakob-Zahlen betragen 2230, 62,4, 0,6 bzw. 0,13. Es wird ein numerisches Modell verwendet, das auf der Volume of Fluid Methode basiert und die Verdampfung an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf sowie die Wärmeleitung im Festkörper berücksichtigt. Ein Subgrid-Modell bestimmt den Wärmestrom an der Kontaktlinie und den dynamischen Kontaktwinkel. Die Studie untersucht den Aufprall aufeinanderfolgender Tropfen und Tropfenketten, auch vertikale Koaleszenz genannt, auf glatte, überhitzte Wände mit unterschiedlichen Zeitabständen zwischen den Tropfen. Die Wärmeübertragungsrate ist in dem Fall, in dem der Tropfenaufprall während der Ausbreitungsphase des vorhergehenden Tropfens stattfindet, höher als bei einem einzelnen Tropfen mit doppeltem Volumen und in den Fällen, in denen der Tropfenaufprall während der Rückzugs- oder sessilen Tropfenphase des vorhergehenden Tropfens stattfindet. Im Gegensatz dazu zeigen Tropfenketten, dass große Tropfen mit langen Zeitabständen die Wärme effizienter übertragen als kleine Tropfen mit kleinen Zeitabständen. Zuvor auf der Wand auftreffende Tropfen verringern im Allgemeinen die Wärmestromdichte für alle nachfolgenden Tropfen. Während der Ausbreitung des zweiten Tropfens werden aufgrund eines wellenförmigen Strömungsfeldes mehrere Ringe mit hohem Wärmestrom beobachtet. Das nebeneinander gleichzeitige und nicht gleichzeitige Auftreffen von zwei Tropfen sowie das Auftreffen von Tropfengruppen, auch horizontale Koaleszenz genannt, wird ebenfalls untersucht. Ein abnehmender horizontaler Abstand zwischen den Tropfen verringert den Wärmeübergang im Vergleich zu zwei nicht interagierenden Tropfen, wobei der zeitliche Abstand zwischen den Tropfen nur einen geringen Einfluss hat. Das numerische Modell ist in der Lage, die experimentell beobachtete vorübergehende Koaleszenz zu beschreiben. Beim gleichzeitigen Aufprall der Tropfengruppe mit kleinem Abstand wird ein aufsteigender Flüssigkeitsstrahl beobachtet, der beim gleichzeitigen Aufprall zweier Tropfen nicht zu beobachten ist. Kleine und mittlere Abstände führen zur Bildung eines dünnen Films während des Aufpralls der Tropfengruppen, was zu einem hohen durchschnittlichen Wärmestrom führt. Zusätzlich wird der Aufprall eines einzelnen Tropfens auf strukturierte, überhitzte Wände mit rechteckigen Säulen unterschiedlicher Größe und Anordnung untersucht. Wände mit kleinen Säulen zeigen den höchsten Wärmeübergang, wobei niedrige Säulen und kleine Entfernungen zwischen den Säulen von Vorteil sind. Der Wärmestrom nimmt linear mit der benetzten Fläche zu, so dass eine Oberflächenstrukturierung zur Verbesserung des Wärmeübergangs vielversprechend ist. Die Aufprallgeschwindigkeit wirkt sich auf den konvektiven Wärmetransport während der Ausbreitungsphase aus, aber nur geringfügig auf die sessile Tropfenphase. Die Formen der benetzten Flächen vom sessilen Tropfen, die von quadratisch über achteckig bis kreisförmig reichen, hängen von der Größe und Anordnung der Säulen ab. Die kapillare Ausbreitung einer vorrückenden Flüssigkeitsfront an Wänden mit rechteckigen Säulen wird ebenfalls untersucht. Diese Untersuchungen verbessern das Verständnis der Fluiddynamik und des Wärmetransports bei der Spraykühlung. Insbesondere erklärt diese Arbeit experimentell beobachtete Phänomene, die kaum verstanden wurden, wie zum Beispiel Ringe mit hoher Wärmestromdichte während der vertikalen Koaleszenz. Darüber hinaus analysiert diese Arbeit relevante Tropfenaufprallkonfigurationen, die bisher noch nicht untersucht wurden. Daraus lassen sich Empfehlungen für eine effiziente Spraykühlung, d.h. für Sprayparameter und Oberflächenbeschaffenheit, ableiten.