Investigations and modeling of droplet behavior and heat transfer under post-dryout conditions

Während des Strömungssiedens führt das Auftreten des Austrocknens einer beheizten Oberfläche (Dryout) zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs und einem drastischen Anstieg der Oberflächentemperatur. Der Wärmeübertragungsmechanismus in der Post-Dryout-(PDO-)Region beeinflusst maßgeblich die maximale Wandtemperatur, was entscheidend für die strukturelle Integrität von Wärmeüberträgern ist. In den letzten fünf Jahrzehnten wurde intensiv zur Wärmeübertragung in der PDO-Region geforscht, was zu zahlreichen experimentellen Studien, empirischen Korrelationen und mechanistischen Modellen geführt hat. ... mehrWährend empirische Korrelationen weit verbreitet sind, bieten mechanistische Modelle eine bessere Generalisierbarkeit für die Vorhersage der Wandtemperatur, da sie die einzelnen Wärmeübertragungsprozesse in der PDO-Region physikalisch beschreiben. Die genaue Vorhersage des Wärmeübergangs an der Phasengrenze zwischen dem Dampf und der Flüssigkeit bleibt jedoch aufgrund der komplexen Dynamik der Tröpfchen eine Herausforderung.

In dieser Arbeit wird ein integrierter Ansatz verfolgt, der dreidimensionale numerische Simulationen mit Visualisierungsexperimenten kombiniert. Die Ergebnisse der CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) und der Experimente werden zusammengeführt, um die Genauigkeit der Vorhersage des interphasischen Wärmeübergangs zu verbessern und ein fortschrittlicheres, physikalisch fundiertes mechanistisches Modell zur Beschreibung der Wärmeübertragung in der PDO-Region zu entwickeln.

Die CFD-Simulationen dienen der Untersuchung der Wärmeübertragung nach dem Dryout, mit besonderem Fokus auf die Dynamik der Tröpfchen und die Mechanismen des interphasischen Wärmeübergangs. Es zeigt sich, dass die Tröpfchenverdampfung in wandnahen Bereichen im Vergleich zur Gesamtverdampfung von erheblicher Bedeutung ist. Diese erhöhte Verdampfung verhindert auch die Ablagerung von Tröpfchen aus der zentralen Strömungsregion zur Wand hin. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein Zwei-Zonen-Ansatz entwickelt, um die unterschiedliche Verdampfung in wandnahen und zentralen Bereichen zu erfassen. Zur Erfassung des lateralen Tröpfchentransports und der inhomogenen Verdampfung werden dimensionslose radiale Profile der Dampftemperatur und -geschwindigkeit aus den Simulationen einbezogen.

Ergänzende Strömungsvisualisierungsexperimente unter PDO-Bedingungen ermöglichen die Messung der Tröpfchengröße und -geschwindigkeit, erweitern die bislang begrenzte Tröpfchendatenbank und tragen zur Entwicklung verfeinerter Korrelationen der Tröpfchengröße bei. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die radiale Geschwindigkeit der Tröpfchen einer Normalverteilung folgt, während die axiale Geschwindigkeit eine verschobene Normalverteilung aufweist. Beide Größen werden stark vom Systemdruck und vom Massenstrom beeinflusst. Es wird beobachtet, dass die Tropfengröße mit zunehmendem Druck abnimmt. Darüber hinaus zeigt sich ein abnehmender Trend der Tropfengröße mit der Erhöhung der lokalen Dampfqualität. Auf dieser Basis wird eine neue Korrelation zur Vorhersage der Tröpfchengröße abgeleitet, welche die Weber-Zahl, das Dichteverhältnis und die Reynolds-Zahl des Dampfes berücksichtigt.

Ein fortschrittliches mechanistisches Modell für die Wärmeübertragung in der PDO-Region wird somit entwickelt, indem die neue Zwei-Zonen-Methodik sowie die verbesserten Modelle zum interphasischen Wärmeübergang und zur Tröpfchendynamik in ein bestehendes mechanistisches Modell integriert werden. Das vorgeschlagene PDO-Modell wurde anhand von fast 8.000 Datenpunkten aus Experimenten mit Wasser sowie R-134a validiert und zeigt eine hohe Vorhersagegenauigkeit und Robustheit über einen weiten Parameterbereich hinweg.

During flow boiling, occurrence of dryout leads to deteriorated heat transfer and a dramatic increase in the temperature of the heated surface. The heat transfer mechanism in the post-dryout (PDO) region significantly influences the peak wall temperature, which is critical for maintaining the structural integrity of heat exchange devices. Over the past five decades, extensive research focused on PDO heat transfer, resulting in numerous experimental studies, empirical correlations and mechanistic models. While empirical correlations are widely used, mechanistic models offer better generalizability for predicting wall temperature by describing the individual heat transfer processes in the PDO region. ... mehrHowever, the predictive accuracy of the interfacial heat transfer remains challenging due to the complex dynamics of droplets.

In this study, an integrated approach combining three-dimensional numerical simulations and visualization experiments is employed. The findings from CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations and experimental studies are integrated to improve the predictive accuracy of interfacial heat transfer, enabling a more sophisticated, physical phenomena-based mechanistic model for PDO heat transfer prediction.

CFD simulations are performed to investigate post-dryout heat transfer, with the focus on elucidating droplet dynamics and interfacial heat transfer mechanisms. It is found that the droplet evaporation in the near-wall region is significant compared with the overall evaporation rate. The strong evaporation in the near-wall region also hinders droplet deposition from the central region toward the wall. Based on these findings, a two-region approach is developed to predict the interfacial heat transfer to capture the distinct evaporation difference in the near-wall and the central regions. Dimensionless radial profiles of vapor temperature and velocity, extracted from the simulations, are incorporated to capture the lateral droplet transport and the non-uniform evaporation.

Complementary flow visualization experiments in PDO conditions enable the measurement of droplet size and velocity, contributing to the extension of existing limited droplets database and the development of refined correlations of droplet size. The experimental results reveal that droplets radial velocity follows a normal distribution, while axial velocity exhibits a shifted normal distribution, both are strongly influenced by working pressure and mass flux. Droplet size is observed to decrease as pressure increases. Additionally, a decreasing trend in droplet size is observed with the increase in local steam quality. Based on these findings, a new droplet size correlation is derived, incorporating the Weber number, the density ratio, and the vapor Reynolds number.

An advanced mechanistic model for PDO heat transfer is developed, by integrating the new two-layer methodology, the improved models related to the interfacial heat transfer and the droplet dynamics into an existing mechanistic model. The proposed PDO model has been validated against nearly 8,000 data points from both water and R-134a experiments, demonstrating its high predictive accuracy and robustness across a wide range of parameters.