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COMPUTATIONAL MODELLING OF LIQUID JET IMPINGEMENT ONTO HEATED SURFACE

Maharshi, Subhash (2017)
COMPUTATIONAL MODELLING OF LIQUID JET IMPINGEMENT ONTO HEATED SURFACE.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Quenching of heated surfaces through impinging liquid jets is of great im-portance for numerous applications like steel processing, nuclear power plants, automobile industries, etc. Therefore, computational modelling of the surface quenching through circular water jets impinging normally onto a heated flat surface has vital importance in order to reveal the physics of the quenching process. At first, a numerical model was developed for single jet impingement process. A conjugate heat transfer problem was solved implying consideration of both regions, one occupied by fluid (multi-phase flow consisting of water, vapor and ambient air) and one accommodating the solid surface within the same solution domain. Numerical simulations were performed in a range of relevant operating param-eters: jet velocities (2.5, 5, 7.5 and 10 m/s), water sub-cooling (75 K) and wall-superheat (650 K - 800 K) corresponding closely to those encountered in the industrial water jet cooling banks. Due to the high initial temperature of the surface, the boiling process exhibits strong spatial and temporal fluctuations. Its effect on the boundary layer profiles at the stagnation region at different time intervals are analyzed. The analysis reveals a highly distorted field of both mean flow and turbulence quantities. It represents an im-portant outcome, also with respect to appropriate model improvements. The different boiling characteristics are envisaged in detail to increase the level of understanding of the phenomena. The influence of the turbulent kinetic energy investigated at the boiling front as well as the jet-acceleration region has been studied. The physically relevant results are obtained and analyzed along with reference database provided experimentally by Karwa (2012, ‘Experimental Study of Water Jet Impingement Cooling of Hot Steel Plates,' Dissertation, FG TTD, TU Darmstadt). The intensive quenching process is consistent with the high rate of sub-cooling and high jet velocities. The surface temperature predicted by quenching model within the impingement region and the subsequent wall-jet region agrees reasonably well with the measurements, the outcome being particularly valid at higher jet velocities. However, a steep temperature gradient at the position corresponding to boiling threshold has not been captured under the condition of the numerical grid adopted. On the other hand, a reasonably good prediction of the wetting front propagation phenomena advocates the future development of the model. The high-intensity back motion of the vapor phase in the stagnation region at the earlier times of the water jet impingement can induce an appropriately high turbulence level, which could be accounted well by the turbulence model applied. The second part of the present work deals with multiple liquid jet impingement. When the multiple jets impact onto the heated surface, the heat flux is extracted from the surface by the mass flow rate. The heat flux is dependent on the several flow conditions and configurations of the nozzle array system. Therefore, one needs to study the nozzle array configuration along with several flow parameters for the better design of the cooling header system. Accordingly, the hydrodynamics of the multiple jets has been studied computationally realizing the need for optimum configuration of the nozzle array. The effects of the mass flow rate, target plate width and the turbulence produced due to the impingement were studied. Afterward, an analytical model is proposed for the quenching of the multiple jets system. It has been realized that, when jet impinges onto the surface at very high initial temperature, the film boiling may play a role in the heat transfer mechanism. Therefore, development has been made in the film-boiling model considering the effect of turbulence at the liquid jet stagnation region at the Leidenfrost point. The Leidenfrost point is the minimum temperature at which the film boiling can sustain. However, the vapor-liquid interface has the dynamic character; it oscillates with high frequency and causes the additional momentum diffusivity. Therefore, the need for introducing the effect of associated turbulence has been felt. The length and velocity scale of the turbulent structure has been approximated by assuming homogeneous turbulence. The new model for the heat flux and wall superheat yielded results agreeing well with published experimental results.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Maharshi, Subhash
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: COMPUTATIONAL MODELLING OF LIQUID JET IMPINGEMENT ONTO HEATED SURFACE
Sprache: Englisch
Referenten: Tropea, Prof. Dr. Cameron ; Sadiki, Prof. Dr. Amsini ; Jakirlic, Prof. Dr. Suad
Publikationsjahr: Mai 2017
Ort: Darmstadt
Datum der mündlichen Prüfung: 17 Februar 2016
URL / URN: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6217
Kurzbeschreibung (Abstract):

Quenching of heated surfaces through impinging liquid jets is of great im-portance for numerous applications like steel processing, nuclear power plants, automobile industries, etc. Therefore, computational modelling of the surface quenching through circular water jets impinging normally onto a heated flat surface has vital importance in order to reveal the physics of the quenching process. At first, a numerical model was developed for single jet impingement process. A conjugate heat transfer problem was solved implying consideration of both regions, one occupied by fluid (multi-phase flow consisting of water, vapor and ambient air) and one accommodating the solid surface within the same solution domain. Numerical simulations were performed in a range of relevant operating param-eters: jet velocities (2.5, 5, 7.5 and 10 m/s), water sub-cooling (75 K) and wall-superheat (650 K - 800 K) corresponding closely to those encountered in the industrial water jet cooling banks. Due to the high initial temperature of the surface, the boiling process exhibits strong spatial and temporal fluctuations. Its effect on the boundary layer profiles at the stagnation region at different time intervals are analyzed. The analysis reveals a highly distorted field of both mean flow and turbulence quantities. It represents an im-portant outcome, also with respect to appropriate model improvements. The different boiling characteristics are envisaged in detail to increase the level of understanding of the phenomena. The influence of the turbulent kinetic energy investigated at the boiling front as well as the jet-acceleration region has been studied. The physically relevant results are obtained and analyzed along with reference database provided experimentally by Karwa (2012, ‘Experimental Study of Water Jet Impingement Cooling of Hot Steel Plates,' Dissertation, FG TTD, TU Darmstadt). The intensive quenching process is consistent with the high rate of sub-cooling and high jet velocities. The surface temperature predicted by quenching model within the impingement region and the subsequent wall-jet region agrees reasonably well with the measurements, the outcome being particularly valid at higher jet velocities. However, a steep temperature gradient at the position corresponding to boiling threshold has not been captured under the condition of the numerical grid adopted. On the other hand, a reasonably good prediction of the wetting front propagation phenomena advocates the future development of the model. The high-intensity back motion of the vapor phase in the stagnation region at the earlier times of the water jet impingement can induce an appropriately high turbulence level, which could be accounted well by the turbulence model applied. The second part of the present work deals with multiple liquid jet impingement. When the multiple jets impact onto the heated surface, the heat flux is extracted from the surface by the mass flow rate. The heat flux is dependent on the several flow conditions and configurations of the nozzle array system. Therefore, one needs to study the nozzle array configuration along with several flow parameters for the better design of the cooling header system. Accordingly, the hydrodynamics of the multiple jets has been studied computationally realizing the need for optimum configuration of the nozzle array. The effects of the mass flow rate, target plate width and the turbulence produced due to the impingement were studied. Afterward, an analytical model is proposed for the quenching of the multiple jets system. It has been realized that, when jet impinges onto the surface at very high initial temperature, the film boiling may play a role in the heat transfer mechanism. Therefore, development has been made in the film-boiling model considering the effect of turbulence at the liquid jet stagnation region at the Leidenfrost point. The Leidenfrost point is the minimum temperature at which the film boiling can sustain. However, the vapor-liquid interface has the dynamic character; it oscillates with high frequency and causes the additional momentum diffusivity. Therefore, the need for introducing the effect of associated turbulence has been felt. The length and velocity scale of the turbulent structure has been approximated by assuming homogeneous turbulence. The new model for the heat flux and wall superheat yielded results agreeing well with published experimental results.
Alternatives oder übersetztes Abstract:
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Kühlung der beheizten Oberflächen durch aufprallende Flüssigkeitsstrahlen ist im Fall zahlreicher industrieller Anwendungen von großer Bedeutung: Stahlherstellung, Kern-energiekraftwerke, Fahrzeugindustrie, usw. Das Stellt die Hauptmotivation der vorlie-genden Arbeit dar, die die numerische Modellierung der Kühlung von heißen Oberflächen durch runde, senkrecht auf die Fläche aufprallende Wasserstrahlen umfasst. Zuerst wurde der Aufprall eines einzelnen Wasserstrahls (‘single jet impinge-ment’) modelliert. Es wurde ein gekoppeltes Wärmeübertragungsproblem behandelt, indem beide Teilgebiete, das Flüssigkeit (d.h. mehrphasige, das Wasser, den Dampf und die umgebende Luft charakterisierende Strömung) und die feste Wand umfassend, in-nerhalb des gleichen Lösungsgebietes berücksichtigt wurden. Numerische Simulationen wurden im Bereich der relevanten Arbeitsparameter, bezogen auf Strahlgeschwindigkeiten (2.5, 5, 7.5, 10 m/s), Wasserunterkühlungstemperaturen von 75 K (Water sub-cooling) und Wandüberhitzungstemperaturen von 650 K bis 800 K (wall superheat), durchgeführt. Diese entsprechen den Betriebsbedingungen der in der industriellen Praxis anzutreffenden Kühlungsanlagen. Infolge der großen Anfangstemperatur der Oberfläche wird das Siedeprozess von starken räumlichen und zeitlichen Schwankungen begleitet. Das beeinflusst entscheidend das temporäre Verhalten der wandnahen Grenzschicht. Die ausführlich durchgeführte Analyse offenbart stark modifizierte Felder der Hauptströmung und der turbulenten Größen. Das stellt eine wichtige Erkenntnis dar, womit ein Beitrag zum weiteren Verständnis des vorliegenden Phänomens geleistet werden konnte. Dabei wurde große Aufmerksamkeit dem Einfluss der kinetischen Turbulenzenergie im Gebiet der Strömungsbeschleunigung geschenkt. Physikalisch relevante Ergebnisse wurden gewonnen und mit der Datenbasis des komplementären, von Karwa durchgeführten Experimenten (2012, ‘Experimental Study of Water Jet Impingement Cooling of Hot Steel Plate’, Dissertation, FG TTD, TU Darmstadt) direkt verglichen. Grundlegend betrachtet ist der Kühlungsprozess der glühend heißen Stahlplatte konsistent mit der Intensität der Wärmeabfuhr infolge höher Aufprallgeschwindigkeiten. Die mit dem vorliegenden Berechnungsmodell für die Erfassung der Stahlabkühlung wurden die Ergebnisse gewonnen, die eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten im Aufprallgebiet aufweisen; dies trifft insbesondere im Fall höhere Aufprallgeschwindigkeiten zu. Allerdings wurde der steile Temperaturgradient an der der Siedeschwelle (‘boiling threshold’) entsprechenden Wandposition unter Bedingungen der verwendeten räumlichen Auflösung nicht erfasst. Trotzdem wurde die Ausbreitung der benetzten Front korrekt vorhergesagt, was für das hohe Potential des Modells im Fall praktischer Anwendungen spricht. Die intensive Rückströmung innerhalb der Dampfphase im Auf-prallgebiet und der damit verbundene Anstieg der Turbulenzintensität im Aufprallgebiet konnten mit dem eingesetzten Turbulenzmodell wiedergegeben werden. Der Zweite Teil der vorliegenden Arbeit untersucht die Effekte von mehreren, parallel angeordneten, gleichzeitig aufprallenden Wasserstrahlen (‘multiple jets impingement’). Der im Fall mehrerer auf die beheizte Oberfläche aufprallender Strahlen abgeführte Wärmefluss hängt von unterschiedlichen Strömungsparametern aber auch von der Düsenkonfiguration ab, deren verschiedene Anordnungen eines der Ziele der Untersuchung darstellen. Diesbezüglich lag der Schwerpunkt auf der Hydrodynamik des mehrfachen Aufpralls. Der Wasser-Volumenstrom im Hinblick auf unterschiedliche Anzahl der Düsen sowie die Abmessungen der Platte wurden variiert. Anschließend wurde ein analytisches Modell für die Oberflächenabkühlung formuliert, das als Grundlage das Phänomen der ‘film boiling’ Prozesse betrachtet. Die Effekte der Turbulenz unter Bedingungen des sog. Leidenfrost Phänomens wurden am Staugebiet berücksichtigt. Das Dampf-Flüssig Interface weist einen dynamischen Charakter auf, indem es mit entsprechend hoher Frequenz oszilliert, was als Folge einen zusätzlichen Impulstransport hat. Dabei wurden die turbulenten Längen- und Geschwindigkeitsmaßstäbe durch die Annahme homogener Turbulenz approximiert. Das neue, den Wärmefluss und die Wandüberhitzung berücksichtigende Modell resultiert in einer guten Übereinstimmung mit den in der veröffentlichten Literatur verfügbaren Ergebnissen.

Deutsch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62170
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik (SLA) > Modellierung und Simulation turbulenter Strömungen
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik (SLA)
Hinterlegungsdatum: 21 Mai 2017 19:55
Letzte Änderung: 21 Mai 2017 19:55
PPN:
Referenten: Tropea, Prof. Dr. Cameron ; Sadiki, Prof. Dr. Amsini ; Jakirlic, Prof. Dr. Suad
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 17 Februar 2016
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