Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Seyed saeed Mortazavi
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور) سیدسعید مرتضوی راوری (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohamadamin Amini
محمدامین امینی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Direct two-dimensional numerical simulation of nucleate boiling using the front tracking method
Boiling flows are central to many industrial and natural processes. The high heat transfer rate and the ability of fluids to store large amount of energy in the form of latent heat make boiling particularly important in large scale energy generation and thermal energy storage. Because of the large volume change and the high temperatures involved, however, consequences of design or operational errors can be catastrophic, and accurate predictions of heat transfer and fluid flow are fundamental for safe operations. Although boiling has been studied extensively, a more basic understanding of the subject has been hindered by the small spatial and temporal scales which prevent accurate experimental measurements. The nucleate pool boiling process is known to be a very efficient mode of heat transfer. It is desirable to operate many engineering applications in this mode since high heat transfer rates and convection coefficients are associated with small values of the excess temperature. Despite its importance, nucleate pool boiling has not been fully numerically simulated until very recently because of the complexity of dealing with the phase change problem in addition to the existence of the interface between two phases. Nucleate pool boiling is typically characterized by cyclic growth and departure of vapor bubbles from a heated wall. In this study, direct numerical simulation of saturated nucleate pool boiling is performed using a front tracking method. Here, the simulated phenomenon occurred in a two dimensional rectangular domain under the constant heated wall temperature and laminar flow. The complete cycles of nucleate pool boiling including nucleation seed growth, rising and departing from the heated wall is captured using Euliar-Lagrangian point of view associated with hybrid front tracking method. Effect of different non-dimensional parameters like, Gr, Pr and Ja numbers as well as liquid/vapor properties on space averaged heat flux, in a given nucleation site, are studied. Effect of initial nucleation sites is studied as well. The obtained results shows that, an increase in Gr number leads to rize in the magnitude of vertical velocity component, and therefore a change in the shape of the detached and rising bubble, and decreasing in bubble detachment frequency. Analysis of heat flux reveals that under the considered condition, by increasing Gr and Pr numbers, the amount of space averaged heat flux is reduced. And there is less bubble departure on heated wall where there is lower bubble departure frequency. Also, results of space averaged heat flux with respect to Ja number shows that by increasing Ja number, the amount of space averaged heatflux is increased. By increasing Ja number, amount of bubble formation and frequency are increased. The obtained results are compared with that predicted by published theoretical correlation showing acceptable agreement in different simulated cases. Also for multiple nucleation sites, simulations were performed and their subsequent results are presented.The amont of space averaged heat flux of these simulations were calculated for nucleate pool boiling and show that by increasing nucleation sites, the amount of space averaged heat flux is increased. A grid refinement test for nucleate pool boiling on a horizontal surface for different grids shows the convergance of the results. Keywords: Heat transfer, Nucleate boiling, Front tracking, Pool boiling, Heat flux, Multi phase, Numerical simulation
پدیده جوشش هسته ای همواره به‌عنوان یک رژیم مناسب از نقطه نظر انتقال حرارت، در بین رژیم های مختلف جوشش شناخته می شود. در کاربرد های صنعتی نیز، به دلیل مقدار بالای ضرایب انتقال حرارت، مطلوب است تا جوشش در همین رژیم هسته ای رخ دهد. علی رغم اهمیت این پدیده، جوشش هسته ای به‌جز در سال های اخیر، به دلیل پیچیدگی های ذاتی تغییر فاز و همچنین وجود دو فاز در کنار یکدیگر، مورد شبیه سازی قرار نگرفته است. در گذشته، عموم فعالیت های مربوط به جوشش، در زمینه انجام کارهای تجربی و به دست آوردن روابط نیمه تجربی بر اساس منحنی های مربوطه، بوده است. در این مطالعه جوشش هسته ای به روش ردیابی جبهه، به صورت دوبعدی، شبیه‌سازی‌شده است. هدف ما در مرحله اول پیش بینی بهتر مقادیر شار حرارتی در جوشش هسته ای برای اعداد بی بعد مختلف شامل اعداد ژاکوب، گراشف و پرانتل، و اثر این اعداد بی بعد بر جوشش هسته ای در زاویه تماس ثابت با سطح، است. همچنین نحوه رفتار پدیده جوشش هسته ای با تغییر این شرایط، بررسی‌شده است. در مرحله بعد نیز، به بررسی اثر تعداد هسته در یک محیط حل برای پدیده جوشش هسته ای پرداخته‌شده است. برای استقلال از شبکه شبیه سازی پیش رو از شبکه های مختلف استفاده‌شده است. که درنهایت با بررسی مقادیر شار حرارتی، پروفیل دما و همچنین زمان جدایش حباب اول از روی سطح، شبکه مناسب به‌دست‌آمده است. همچنین برای اعتبارسنجی نیز از نتایج تجربی موجود استفاده‌شده است. نتایج این پژوهش نشان داد که افزایش عدد بی بعد گراشف، مقدار شار حرارتی را کاهش می دهد. با افزایش عدد پرانتل، مقدار شار حرارتی را کاهش می‌دهد و افزایش عدد ژاکوب نیز منجر به افزایش مقادیر شار حرارتی می‌شود. همچنین افزایش تعداد هسته در یک محیط حل منجر به درهم‌آمیخته شدن خطوط جریان و افزایش مقادیر شار حرارتی می‌شود. کلمات کلیدی: انتقال حرارت، جوشش هسته ای، ردیابی جبهه، شار حرارتی، شبیه سازی عددی، جریان چندفازی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی