SUPERVISOR
Arjomand Mehrabani zeinabad,Mohsen DavazdahEmami
ارجمند مهربانی زین آباد (استاد راهنما) محسن دوازده امامی (استاد راهنما)
STUDENT
Maryam Aliakbary mian mahale
مریم علی اکبری میان محله
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Numerical Simulation of Bubble Dynamics and Heat Transfer under Electrical Field in Nucleate Boiling
Boiling heat transfer is one of the most efficient modes of heat transfer. The most widely used regime is perhaps the nucleate boiling. In nucleate boiling, very high wall heat fluxes can be achieved at low superheats. The heat transfer duty of heat exchangers can be improved by heat transfer enhancement techniques. In general, these techniques divided into two groups of active and passive techniques. Applying electrical field have been introduced as one of the type of active heat transfer enhancement techniques. In this study, a two-dimensional axisymmetric model on growth and departure of a single bubble have been presented. To validate the present model, the simulation results in absence of electric field, including the bubble departure diameter and departure time were compared with the experiment and numerical data. Then, the effects of electric field on bubble characteristics were studied. The phase-field method was employed to track the interface between the gas-liquid two-phases. The phase field method has been adopted to capture the vapor-liquid interface. By solving the coupling problems of fluid flow, thermal and electric filed along with the phase-field equation, the effect of an applied electric field on heat transfer and flows of a vapor bubble surrounded by saturated water were studied and simulated numerically. A vapor bubble nucleus initially attached to a superheated wall and grew with two different contact angle of 50° and 90° at superheats of 7, 8.5 and 10°C. The bubble growing size and bubble departure time were increased and decreased, with increasing in the wall superheat, respectively. Also, increase in contact angle has changed the velocity field and temperature field around the base of bubble and increase the departure diameter and departure time. The predicted errors in the case with contact angle 50°, compared to experimental data were 16% for departure time and 8% for departure diameter. In addition, for contact angle of 90°, results were consistent with the available numerical data in literatures with error less than 10%. Then, effect of applied electric field on bubble characteristics such as velocity field, growth time, waiting time, departure frequency and departure diameter were discussed. The bubble growth time and waiting time were decreased as the electric field strength increase. Consequently, the bubble departure frequency was increased by increasing the applied voltage. In contact angle of 50° and wall superheat of 7°C, bubble was detached from heated wall after 50.4ms with diameter of 2.91mm. But, upon applying the 4000V voltage, departure time and departure diameter were decreased to 23.2ms and 1mm, respectively. Application of electric field resulted in raising the number of detached bubbles from the superheated wall in a certain time interval, and decreasing of the bubbles departure size and elongates bubbles, were resulted in a change in the temperature field over the domain, and enhancing the rate of heat flux. A non-linear relation was existed between the applied voltage and the heat flux. For example, application of imposed electrical voltage of 4kV, resulted in decreasing of the thickness of thermal boundary layer at the right end of computational domain in presence of 60%, and increasing of the heat flux up to 85%. Keywords: Nucleate boiling, enhanced heat transfer, phase field method, electrohydrodynamic.
جوشش هستهای گونهای موثر و کارآمد از انتقال گرما میباشد که بهدلیل میزان انتقال گرمای بالا در کنار اختلاف دمای کوچک،از اهمیت زیادی در فرآیندهای صنعتیبرخوردار است.ظرفیت مبدلهای گرمایی توسط روشهای تقویت انتقال گرما بهبود مییابد. شیوههای افزایش را میتوان به دو گروه فعال و غیرفعالدستهبندی کرد. اعمال میدان الکتریکی به عنوان یک روش فعال بهصورت گسترده در جهت تقویت انتقال گرمای دوفازی بکار میرود.ازآنجا که اعمال میدان الکتریکی سبب ایجاد حرکتهای ثانویه در سیال میشود روش الکتروهیدرودینامیکی نیز نامیده میشود.مدل عددی دوبعدی تاثیر الکتروهیدرودینامیک روی فرایند رشد و جدایش یک حباب تکدر این پژوهش ارائه شده است.برای اعتبارسنجی مدل، ابتداشبیه سازیبدون اعمال میدان الکتریکیانجام شد و تطابق نتایج با دادههای تجربی وعددیموجود در متون چاپ شده بررسی شد. باتوجه به میزان خطای اندک و تایید مدل،مدلسازی و شبیهسازی تحت تاثیر میدان الکتریکی انجام شد. برای ردیابی فصلمشترک دوفاز مایع- بخار ازروش میدان فاز استفاده شدهاست. با حل همزمان میدان جریان سیال، معادله گرمایی و میدان الکتریکی،همراه با میدان فاز تاثیر میدان الکتریکی روی مشخصههای یک حباب بخار درون سیال آب متصل به دیوار افقی گرمشونده مطالعه گردید. هسته اولیه حباب بخار در حفره موجود در کف ظرف جاگذاری شدهاست و با زوایای تماس°50 و °90 در فوقگرمهای 7، 5/8 و °C10 رشد میکند. با افزایش میزان فوقگرم اندازه حباب در حال رشد بزرگتر شده و زمان جدایش کمتر میشود. در مقابل، افزایش زاویه تماس با تغییر میدان سرعت و دما در نزدیکی پایه حباب قطر جدایش و زمان جدایش را تحت تاثیر قرار میدهد. افزایش زاویه تماس، قطر و زمان جدایش حباب را افزایش میدهد. در نمونه بدون اعمال میدان در زاویه تماس °50،بیشترین خطا در مقایسه با کار تجربی، %16 برای زمان جدایش و %8 برای قطر جدایش بدست آمد. همینطور در زاویه تماس °90 نتایج بدست آمده با کار عددی پیشینهمخوانی با خطای زیر %10 دارد. بعد از اعمال میدان الکتریکی اثر آن بر مشخصههای دینامیکی حباب نظیر میدان سرعت، زمان رشد، زمان ماند،فرکانس جدایش و قطر جدایش بررسی شد. با اعمال میدان زمان رشد و زمان ماند کاهش یافته و در نتیجه فرکانس جدایش حباب افزایش یافت. در زاویه تماس °50 و فوقگرم °C7 ، حباب بعد از گذشت ms4/50 و با قطر mm91/2 از سطح جدا میشود، درحالیکه بعد از اعمالولتاژ V4000، زمان جدایش و قطر جدایش بهترتیب، به ms2/23 وmm1کاهش مییابند. همینطور نتایج نشان میدهد که اعمال میدان منجر به جدایش حبابها با اندازه کوچکتر ولی کشیدهتر میشود. اعمال میدان الکتریکی بر میدان دما تاثیر گذاشته و به طور مثال در ولتاژ V4000 منجر به کاهش ضخامت لایه مرزی گرمایی در انتهای سمت راست منطقه محاسباتی به میزان %60 و افزایش فلاکسگرمایی تا %85میشود. کلمات کلیدی: 1-جوشش هستهای 2-تقویت انتقال گرما 3-روش میدان فاز 4-الکتروهیدرودینامیک.