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Numerical simulation of drop impact and evaporation on superheated surfaces at low and high ambient pressures

Schlawitschek, Christiane (2020):
Numerical simulation of drop impact and evaporation on superheated surfaces at low and high ambient pressures. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00011800,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

This thesis presents the numerical simulation of fluid dynamics, as well as heat and mass transfer for drop impingement on a hot solid surface for low and high ambient pressures. The technical application ranges from effective thermal management strategies using spray cooling, safety aspects in high pressure nuclear reactors to process technology in chemical or food industry.

It is reported in literature that wetting characteristics depend on the ambient pressure. Drop splash is suppressed at low ambient pressure. High ambient pressure encourages compressibility effects. The compressibility of both the liquid and vapour phase increases with increasing pressure. Thereby, the effects of compressibility on drop impingement is of interest. Up to now, no attempt has been made to investigate a full pressure range for the evaporative drop impingement process.

In order to provide insights into evaporative drop impingement processes under various ambient pressures, numerical simulations are performed. CFD simulations are conducted using a finite volume discretisation method solving the Navier-Stokes equations. The volume of fluid method is utilised to resolve two-phase flow. The solver accounts for compressible fluid flow, heat and mass transfer due to evaporation across the free liquid-vapour interface, evaporation in the vicinity of the three-phase contact line, as well as for heat conduction within the solid substrate. The dynamic contact angle is implemented using a subscale model. Effects of low and high ambient pressure on the three-phase contact line are investigated in the well established so-called micro region model.

The focus is the non-splashing drop-wall collision in a non-boiling, single-component evaporation regime. Ambient pressure ratios ranging between p/pcr = [8*10^{-3} ... 0.5], Reynolds and Weber numbers ranging between Re = [600 ... 1300] and We = [10 ... 50] are investigated. The wall temperature is above saturation but below Leidenfrost temperature. The wall superheat is in the order of 10 K. Different parameter studies are dedicated to investigate the influence of low and high ambient pressures on the evaporative drop impact processes. Within one parameter study, dimensional drop impact parameters are kept constant, such as drop diameter, impact velocity and wall superheat. Caused by the variation in ambient pressure, material properties of the fluid change. Consequently, non-dimensional groups are changing, indicating a shift in dominant forces. Another parameter study keeps non-dimensional groups constant. Further parameter studies focus on the influence of the vapour phase on the drop impact outcome, especially for high ambient pressure.

Within this work, results are presented for different length scales. The modelling of the vicinity of an evaporating three-phase contact line indicates a strong influence of the ambient pressure on the apparent contact angle and the heat being transferred in the micro region. For increasing pressure, the contact angle increases whereas the transferred heat has a local maximum within the investigated pressure range. For the macro-scale drop impingement process, strong influence on the fluid dynamics and heat transfer is identified.

In summary, numerical simulations of the evaporative drop impact and the modelling of micro-scale thermodynamic effects for low and high ambient pressure are investigated in the present thesis. The results increase the understanding of the influence of pressure on the fluid dynamics, as well as the heat and mass transfer. Correlations for the maximum spreading ratio, spreading duration, as well as transferred energy and mass are reported. The findings are expected to improve design concepts for technical applications within the investigated parameter range.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2020
Creators: Schlawitschek, Christiane
Status: Publisher's Version
Title: Numerical simulation of drop impact and evaporation on superheated surfaces at low and high ambient pressures
Language: English
Abstract:

This thesis presents the numerical simulation of fluid dynamics, as well as heat and mass transfer for drop impingement on a hot solid surface for low and high ambient pressures. The technical application ranges from effective thermal management strategies using spray cooling, safety aspects in high pressure nuclear reactors to process technology in chemical or food industry.

It is reported in literature that wetting characteristics depend on the ambient pressure. Drop splash is suppressed at low ambient pressure. High ambient pressure encourages compressibility effects. The compressibility of both the liquid and vapour phase increases with increasing pressure. Thereby, the effects of compressibility on drop impingement is of interest. Up to now, no attempt has been made to investigate a full pressure range for the evaporative drop impingement process.

In order to provide insights into evaporative drop impingement processes under various ambient pressures, numerical simulations are performed. CFD simulations are conducted using a finite volume discretisation method solving the Navier-Stokes equations. The volume of fluid method is utilised to resolve two-phase flow. The solver accounts for compressible fluid flow, heat and mass transfer due to evaporation across the free liquid-vapour interface, evaporation in the vicinity of the three-phase contact line, as well as for heat conduction within the solid substrate. The dynamic contact angle is implemented using a subscale model. Effects of low and high ambient pressure on the three-phase contact line are investigated in the well established so-called micro region model.

The focus is the non-splashing drop-wall collision in a non-boiling, single-component evaporation regime. Ambient pressure ratios ranging between p/pcr = [8*10^{-3} ... 0.5], Reynolds and Weber numbers ranging between Re = [600 ... 1300] and We = [10 ... 50] are investigated. The wall temperature is above saturation but below Leidenfrost temperature. The wall superheat is in the order of 10 K. Different parameter studies are dedicated to investigate the influence of low and high ambient pressures on the evaporative drop impact processes. Within one parameter study, dimensional drop impact parameters are kept constant, such as drop diameter, impact velocity and wall superheat. Caused by the variation in ambient pressure, material properties of the fluid change. Consequently, non-dimensional groups are changing, indicating a shift in dominant forces. Another parameter study keeps non-dimensional groups constant. Further parameter studies focus on the influence of the vapour phase on the drop impact outcome, especially for high ambient pressure.

Within this work, results are presented for different length scales. The modelling of the vicinity of an evaporating three-phase contact line indicates a strong influence of the ambient pressure on the apparent contact angle and the heat being transferred in the micro region. For increasing pressure, the contact angle increases whereas the transferred heat has a local maximum within the investigated pressure range. For the macro-scale drop impingement process, strong influence on the fluid dynamics and heat transfer is identified.

In summary, numerical simulations of the evaporative drop impact and the modelling of micro-scale thermodynamic effects for low and high ambient pressure are investigated in the present thesis. The results increase the understanding of the influence of pressure on the fluid dynamics, as well as the heat and mass transfer. Correlations for the maximum spreading ratio, spreading duration, as well as transferred energy and mass are reported. The findings are expected to improve design concepts for technical applications within the investigated parameter range.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 121 Seiten
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 21 Dec 2020 08:30
DOI: 10.25534/tuprints-00011800
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/11800
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-118001
Referees: Gambaryan-Roisman, Prof. Dr. Tatiana and Stephan, Prof. Dr. Peter and Hasse, Prof. Dr. Christian
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 3 November 2020
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Die vorliegende Arbeit behandelt numerische Simulationen zum hydrodynamischen Verhalten sowie zum Wärme- und Stofftransport beim Tropfenaufprall auf eine heiße, feste Oberfläche bei niedrigen und hohen Umgebungsdrücken. Die Anwendungsfelder reichen vom leistungsfähigen Thermomanagement mittels Sprühkühlung, sicherheitsrelevanten Aspekten bei Hochdruck-Nuklearreaktoren, bis hin zur Verfahrenstechnik in der Chemie- und Lebensmittelindustrie. Aus der Literatur ist bekannt, dass sich die Benetzungseigenschaften ändern, wenn sich der Umgebungsdruck ändert. Splashing wird bei niedrigem Umgebungsdruck unterdrückt. Hoher Umgebungsdruck begünstigt Kompressibilitätseffekte. Die Kompressibilität der Flüssigkeit und der Dampfphase erhöht sich bei steigendem Druck. Bisher wurden jedoch keine Studien durchgeführt, die einen breiten Druckbereich des Tropfenaufpralls bei gleichzeitiger Verdampfung abdecken. Zum Erlangen von Erkenntnissen beim Tropfenaufprall mit Verdampfung bei verschiedenen Umgebungsdrücken werden numerische Simulationen durchgeführt. In den CFD Simulationen wird die Finite Volumen Methode genutzt, und es werden Navier-Stokes Gleichungen gelöst. Der Löser berücksichtigt kompressible Fluidströmung, Wärme- und Stofftransport über die freie Flüssigkeits-Dampf Phasengrenze und in der Nähe der Drei\-pha\-sen-Kontaktlinie aufgrund von Verdampfung, sowie Wärmeleitung im Feststoff. Der dynamische Kontaktwinkel ist über ein Subskalenmodell eingebunden. Der Einfluss von niedrigem und hohem Umgebungsdruck in der Nähe der Dreiphasen-Kontaktlinie wird mittels eines bekannten Mikrozonenmodells untersucht. Der Fokus liegt auf einer Tropfen-Wand Kollision ohne Splashing jedoch mit Verdampfung im Bereich des stillen Siedens. Das Verhältnis vom Umgebungs- zum kritischen Druck des Fluides beträgt p/pcr = [8*10^{-3} ... 0.5], wobei die Reynolds- und Weber-Zahlen im Bereich von Re = [600 ... 1300] und We = [10 ... 50} variieren. Die Wandtemperatur liegt oberhalb der Sättigungs-, jedoch unterhalb der Leidenfrosttemperatur. Die Wandüberhitzung liegt in der Größenordnung von 10 K. Verschiedene Parameterstudien widmen sich dem Einfluss von niedrigem und hohem Umgebungsdruck bei Tropfenaufprall mit Verdampfung. In einer Studie bleiben die Aufprallparameter, wie Tropfendurchmesser, Aufprallgeschwindigkeit und Wandüberhitzung konstant. Der Umgebungsdruck beeinflusst die Eigenschaften des Fluides und somit die dimensionslosen Kennzahlen, was auf eine Verschiebung der dominanten Kräfte hindeutet. In einer zweiten Studie sind dagegen die dimensionslosen Kennzahlen identisch. Zusätzlich werden Parameterstudien durchgeführt, die sich mit dem Einfluss der Dampfphase auf den Aufprall beschäftigen, besonders bei hohem Druck. Im Rahmen dieser Arbeit werden Ergebnisse für unterschiedliche Längenskalen gezeigt. Die Modellierung in der Nähe der Dreiphasen-Kontaktlinie weist einen starken Einfluss des Umgebungsdruckes auf den Kontaktwinkel und die übertragene Wärme innerhalb der Mikrozone auf. Bei steigendem Druck steigt der Kontaktwinkel, wohingegen die übertragene Wärme ein lokales Maximum im untersuchten Druckbereich zeigt. Für den makroskopischen Tropfenaufprall zeichnet sich ein starker Einfluss auf die Hydrodynamik und den Wärmetransport ab. Durch die Simulationen zum Tropfenaufprall mit Verdampfung und die modellierten thermodynamischen Effekte innerhalb der Mikrozone wird das Verständnis für den Einfluss auf die Fluiddynamik und den Wärme- und Stofftransport bei niedrigen und hohen Umgebungsdrücken erweitert. Korrelationen für die maximale Spreizung, Ausbreitungsdauer sowie die übertragene Wärme und Masse werden diskutiert. Diese Erkenntnisse werden als nützlich bei dem Design und Optimieren von technischen Apparaten innerhalb des untersuchten Druckbereichs angesehen.German
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