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Drop and spray impact onto a hot substrate: Dynamics and heat transfer

Breitenbach, Jan (2018):
Drop and spray impact onto a hot substrate: Dynamics and heat transfer.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8097],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Non-isothermal spray/wall interaction is an important process encountered in a large number of existing and emerging technologies, such as fuel injection in aircraft gas engines and internal combustion engines, and is the underlying phenomenon associated with spray cooling technology. Spray cooling is a very promising technique for the cooling of devices with very high heat flux densities (as encountered in the fields of metalworking, cooling of electronic components or light-water nuclear reactors), surpassing all other conventional cooling methods. The effectiveness of spray cooling is influenced by a large number of parameters, including spray characteristics like drop size, velocity and number density, the surface morphology, but also on the temperature range and thermal properties of the materials involved. Indeed, the temperature of the substrate can have significant influence on the hydrodynamics of drop and spray impact, an aspect which is seldom considered in model formulation. This process is extremely complex and current approaches are highly empirical in nature. In the present thesis the single drop impact as a central element of spray impact is experimentally investigated for various thermodynamic and hydrodynamic conditions. Understanding single drop impact is an important and necessary preliminary work in the description and modeling of non-isothermal spray impact. The observed outcomes of single drop impact are classified for various impact conditions according to the well-known heat transfer regimes: single phase cooling, nucleate boiling, transition boiling and film boiling. Observations from the present work also introduce the thermal atomization regime. The phenomenon is characterized by the dewetting of the substrate, caused not by rim dynamics but induced by thermal effects, and an intensive evaporation leading to a fine secondary spray. Various theoretical considerations for the heat transfer regimes single phase cooling, nucleate boiling, thermal atomization and film boiling are obtained to describe the quantities involved in the non-isothermal drop impact. The theories allow predictions of the heat transferred from the hot substrate to the impinging drop, the typical time of drop contact, and the secondary spray. These quantities are of paramount importance for spray cooling application, since they can be used to determine the optimum spray. The theoretical predictions account for the underlying physical phenomena and are validated with existing data. Finally, the consideration for the single drop impact is used for the development of a theoretical model for an average heat transfer coefficient for spray cooling in the film boiling regime. The model captures the influence of spray characteristics and accounts for the probability of drop interactions on the wall, when the droplet number density in the spray is high. The theory agrees well with existing experimental data.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Breitenbach, Jan
Title: Drop and spray impact onto a hot substrate: Dynamics and heat transfer
Language: English
Abstract:

Non-isothermal spray/wall interaction is an important process encountered in a large number of existing and emerging technologies, such as fuel injection in aircraft gas engines and internal combustion engines, and is the underlying phenomenon associated with spray cooling technology. Spray cooling is a very promising technique for the cooling of devices with very high heat flux densities (as encountered in the fields of metalworking, cooling of electronic components or light-water nuclear reactors), surpassing all other conventional cooling methods. The effectiveness of spray cooling is influenced by a large number of parameters, including spray characteristics like drop size, velocity and number density, the surface morphology, but also on the temperature range and thermal properties of the materials involved. Indeed, the temperature of the substrate can have significant influence on the hydrodynamics of drop and spray impact, an aspect which is seldom considered in model formulation. This process is extremely complex and current approaches are highly empirical in nature. In the present thesis the single drop impact as a central element of spray impact is experimentally investigated for various thermodynamic and hydrodynamic conditions. Understanding single drop impact is an important and necessary preliminary work in the description and modeling of non-isothermal spray impact. The observed outcomes of single drop impact are classified for various impact conditions according to the well-known heat transfer regimes: single phase cooling, nucleate boiling, transition boiling and film boiling. Observations from the present work also introduce the thermal atomization regime. The phenomenon is characterized by the dewetting of the substrate, caused not by rim dynamics but induced by thermal effects, and an intensive evaporation leading to a fine secondary spray. Various theoretical considerations for the heat transfer regimes single phase cooling, nucleate boiling, thermal atomization and film boiling are obtained to describe the quantities involved in the non-isothermal drop impact. The theories allow predictions of the heat transferred from the hot substrate to the impinging drop, the typical time of drop contact, and the secondary spray. These quantities are of paramount importance for spray cooling application, since they can be used to determine the optimum spray. The theoretical predictions account for the underlying physical phenomena and are validated with existing data. Finally, the consideration for the single drop impact is used for the development of a theoretical model for an average heat transfer coefficient for spray cooling in the film boiling regime. The model captures the influence of spray characteristics and accounts for the probability of drop interactions on the wall, when the droplet number density in the spray is high. The theory agrees well with existing experimental data.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA) > Flow control and unsteady aerodynamics
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA) > Dynamics of drops and sprays
Date Deposited: 20 Jan 2019 20:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8097
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-80970
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Roisman, Apl. Prof. Ilia V. and Brenn, Prof. Dr. Günter
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 18 December 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Der Tropfenaufprall auf beheizte Wände ist ein wichtiger Prozess in vielen industriellen Anwendungen, wie bspw. bei der Kraftstoffeinspritzung von Verbrennungsmotoren und Gasturbinen, sowie ist ein grundlegender Bestandteil der Sprühkühlungstechnologie. Die Sprühkühlung ist eine sehr bedeutende Technik zur Kühlung von Materialien mit sehr hohen Wärmestromdichten und übertrifft alle herkömmlichen Kühlmethoden. Dies ist besonders in der Metallverarbeitung oder der Kühlung von Elektronikkomponenten von großer Bedeutung. Die Wirksamkeit der Sprühkühlung wird durch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst, darunter Sprühparameter wie Tropfengröße, Geschwindigkeit und Anzahldichte, die Oberflächenmorphologie, aber auch der Temperaturbereich und die thermischen Eigenschaften der beteiligten Materialien. In der Tat kann die Temperatur des Substrats einen signifikanten Einfluss auf die Hydrodynamik des Tropfen- und Sprayaufpralls haben. Daher ist dieser Prozess äußerst komplex und aktuelle Modellierungsansätze sind weitestgehend empirischer Natur. In der vorliegenden Arbeit wird der Einzeltropfenaufprall als zentrales Element des Sprayaufpralls für verschiedene thermodynamische und hydrodynamische Randbedingungen experimentell untersucht. Das Verständnis des Einzeltropfenaufpralls ist eine wichtige und notwendige Vorarbeit bei der Beschreibung und Modellierung des Sprayaufpralls auf eine beheizte Wand. Die beobachteten Ergebnisse des Einzeltropfenaufpralls werden für verschiedene Aufprallbedingungen gemäß der bekannten Wärmeübertragungsregime klassifiziert: Reine Konvektion, Blasensieden, Übergangssieden und Filmsieden. Beobachtungen aus der vorliegenden Arbeit ergänzen zusätzlich das Regime "Thermal Atomization". Dieses Regime ist durch die Entnetzung des Tropfens gekennzeichnet, welche durch thermische Effekte verursacht wird und zu einer intensiven Verdampfung, sowie einer feinen Sekundärzerstäubung führt. Für die beschriebenen Wärmeübertragungsregime werden weiterführend theoretische Modelle entwickelt, um die an dem Tropfenaufprall beteiligten Einflussgrößen zu quantifizieren. Die Modelle erlauben die Bestimmung der Wärmeströme vom heißen Substrat auf den aufprallenden Tropfen, die typische Zeit des Tropfenkontakts, sowie die Charakteristika des Sekundärsprays. Diese Kenngrößen sind für die Sprühkühlung von größter Wichtigkeit, da sie zur Bestimmung eines optimalen Sprays verwendet werden können. Die theoretischen Modelle berücksichtigen die zugrunde liegenden physikalischen Phänomene und werden mit existierenden Daten validiert. Schlussendlich werden die Erkenntnisse des Einzeltropfenaufpralls für die Entwicklung eines theoretischen Modells des Wärmeübertragungskoeffizienten für die Sprühkühlung im Filmsiedeverfahren verwendet. Das Modell erfasst den Einfluss der Parameter des Sprays und berücksichtigt die Wahrscheinlichkeit von Tropfeninteraktionen auf der Wand, wenn die Dichte der Tropfen im Spray hoch ist. Ein Vergleich mit vorhandenen experimentellen Daten zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem entwickelten Modell.German
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