تاثیر انواع سطوح بر دینامیک تشکیل حباب در جوشش هسته‌ای توسط مدل‌های تغییر فاز لی و تاناساوا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه گیلان

2 گیلان*مهندسی مکانیک

چکیده

شبیه‌سازی عددی پدیده جوشش از لحاظ تنوع مدل‌های دوفازی و کارآمدی هر یک همواره جز مسائل چالش برانگیز است. جوشش یکی از روش‌های کارآمد انتقال حرارت با نرخ‌های زیاد می‌باشد. در شبیه‌سازی این پدیده انتخاب مدل مناسب برای تغییر فاز و همچنین بررسی سطوحی که بر روی آن جوشش اتفاق می‌افتد، حائز اهمیت است. در این تحقیق مسئله جوشش هسته‌ای توسط روش دوفازی حجم سیال به صورت عددی شبیه‌سازی شده است. از روش بازسازی هندسی مرز مشترک برای بهبود کیفیت مرز مشترک بهره گرفته شده است. جهت صحت‌سنجی حلگر عددی از مسئله یک‌بعدی مرز مکشی استفان استفاده شده است. از دو مدل تغییر فاز لی و تاناساوا برای محاسبه نرخ تغییر فاز و محاسبه ترم‌های چشمه استفاده شده است. نتایج جوشش هسته‌ای بر روی سه سطح آب‌دوست، آب‌گریز و با زاویه تماس ۹۰ درجه مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که جوشش بر روی سطوح آب‌گریز سبب جدایی حباب‌های با شعاع بزرگتر و انتقال حرارت بیشتر شده و در هم‌آمیختگی حباب‌ها در هسته‌های جوانه‌زایی متفاوت، جوشش بر روی سطوح آب‌گریز را به سمت جوشش فیلمی سوق می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The Effect of Surface Types on Bubble Dynamic Formation During Nucleate Pool Boiling by Use of Lee and Tanasawa Phase Change Models

نویسندگان [English]

  • Seyed Amirreza Hosseini 1
  • Ramin Kouhi Kamali 2
1 University of Guilan
چکیده [English]

Numerical simulation of boiling has always been a challenging problem in terms of the variety and effectiveness of two-phase models. Boiling is one of the efficient methods in high heat transfer. In the boiling simulation, in addition to choosing an appropriate heat and mass transfer model, it will be important to evaluate the surfaces in which boiling occurs on it. A problem of nucleate boiling of saturated liquid is numerically simulated in this investigation by use of volume of fluid model together with the geo-reconstruction of the interface. One-dimensional Stephan problem as sucking interface problem is solved for verification the numerical solver. Two-phase change models of the Lee model and the Tanasawa model are used in order to calculate the rate of phase change and source terms. The results of nuclear boiling are investigated on the hydrophilic surface, hydrophobic surface, and the surface with contact angle 90 degrees. The results show that boiling on hydrophobic surfaces causes the detachment of larger bubbles with a larger heat transfer rate. Besides, bubble merging depending on the density of nucleation sites leads the nuclear boiling on the hydrophobic surface to film boiling.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nuclear boiling
  • numerical simulation
  • Surface contact angle
  • Phase change models
  • Heat and Mass Transfer
[1]  C.   Kunkelmann,   Numerical   Modeling   and Investigation of Boiling Phenomena, Technische Universität Darmstadt, 2011.
[2]  S. Moghaddam, K. Kiger, Physical mechanisms of heat transfer during single bubble nucleate boiling of FC-72 under saturation conditions. II: Theoretical analysis, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52(5–6) (2009) 1295–1303.
[3]   D.Z. Guo, D.L. Sun, Z.Y. Li, W.Q. Tao, Phase Change Heat Transfer Simulation for Boiling Bubbles Arising from a Vapor Film by the VOSET Method, Numerical Heat Transfer, 59 (2011) 857–881.
[4]    S.A. Hosseini, R. KouhiKamali,  Simulation of film boiling heat transfer on flat plate and the impact of various phase change models on it, Modares Mechanical Engineering, 16(5) (2016) 169-177, (in Persian).
[5]  C.W. Hirt, B.D. Nichols, Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundary, Journal of computational physics, 39(1)(1981)1-250.
[6]   J. Bi, D.M. Christopher, J.X. Dawei Zhao, Y. Huang, Numerical study of bubble growth and merger characteristics during nucleate boiling, Progress in Nuclear Energy, 112 (2019).
[7]   D.L. Youngs, in: Numerical Methods for Fluid Dynamics, Academic Press, New York, 1982, pp. 273-285.
[8]  ANSYS, ANSYS Inc. PDF Documentation for Release 15.0, in, 2013.
[9]  R.W. Schrage, A Theoretical Study of Interphase Mass Transfer, in, Columbia University Press, New York, 1953.
[10] I. Tanasawa, in: Advances in Heat Transfer Academic Press, San Diego, 1991, pp. 55-139.
[11] W.H. Lee, in: Multiphase Transport Fundamentals, Hemisphere Publishing, Washington, DC, 1980.
[12] X. Wang, Y. Wang, H. Chen, Y. Zhu, A combined CFD/visualization investigation of heat transfer behaviors during geyser boiling in two-phase closed thermosyphon, International Journal of Heat and Mass Transfer, 121 (2018) 703-714.
[13] S. Chen, Z. Yang, Y. Duan, Y. Chen, D. Wu, Simulation of condensation flow in a rectangular microchannel, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 76 (2014) 60–69.
[14] M. Mohammadi, M. Khayat, Experimental investigation of the effect of roughness orientation of surface on motion of bubbles and critical heat flux, Modares Mechanical Engineering, 17(12) (2018) 531-541, (in Persian).
[15] R. Ahmadi, T. Okawa, Observation of Bubble Dynamics during Subcooled Flow Boiling on Different Surface Wettability in Atmospheric Pressure, Modares Mechanical Engineering, 15(7) (2015) 313-320, (in Persian).
[16] Nasiri. S, Talebi. S, Salimpor. M, The experimental analyse  of  grooved  surface  and magnetic field effects on γ-Fe2O3/water nanofluid pool boiling, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering,( 2019), (in Persian).
[17] A. Mukherjee, S. Kandlikar, Numerical study of single bubbles with dynamic contact angle during nucleate pool boiling, International Journal   of   Heat   and   Mass  Transfer, 50(1)(2007) 127-138.
[18] Q.X. Wang, The Evolution of a Gas Bubble Near an Inclined Wall, Theoret.Comput.Fluid Dynamics 12 (1998 )29-51.
[19]  H. Lee, C.g.R. Kharangate, N. Mascarenhas, Park, I. Mudawar, Experimental and computational investigation of vertical downflow condensation, International Journal of Heat and Mass Transfer, 85 (2019) 865–879.
[20] V. Alexiades, A.D. Solomon, Mathematical Modeling of Melting and Freezing Processes, Hemisphere, Washington, D.C, 1993.
[21] S.W.J. Welch, J. Wilson, A Volume of Fluid Based Method for Fluid Flows with Phase Change, Journal of Computational Physics, 160 (2000) 662–682.
[22] D.G. Kim, C.H. Jeon, I.S. Park, Comparison of numerical phase-change models through Stefan vaporizing problem, International Communications in Heat and Mass Transfer, 87 (2017) 228-236.