پديد آورنده :
بهزادنيا، اميررضا
عنوان :
بررسي عددي تغييرات زاويه تماس حباب بر روي يك سطح صاف در طول فرايند تبخير و اثر آن بر ضريب انتقال حرارت
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
تبديل انرژي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
دوازده، 63ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
زاويه تماس , حباب , فرايند تبخير , ضريب انتقال حرارت , روش حجم سيال , سيستمهاي خنككننده
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/06/25
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/06/29
چكيده فارسي :
رشد حباب بر روي سطح در طول فرايند تبخير، تأثير قابلتوجهي بر ضريب انتقال حرارت سطح ميگذارد و نقش اساسي در بهينهسازي انتقال حرارت از سطح ايفا ميكند. تشكيل، رشد و جدايش حباب در اين پديده، بهويژه از طريق تغييرات زاويه تماس حباب، مستقيماً بر توزيع دما و الگوي جريان مايع اطراف حباب تأثيرگذار است. زاويه تماس، زاويهاي است كه در نقطه تماس سه فاز، خط مماس بر سطح حباب با سطح جامد تشكيل ميدهد. تغييرات زاويه تماس در طول فرايند تبخير، شدت نيروهاي كاپيلاري و الگوي توزيع فيلم نازك مايع زير حباب را تحت تأثير قرار داده، در نتيجه نرخ تبخير و ضريب انتقال حرارت محلي را به ميزان قابلتوجهي تغيير ميدهد. يكي از مسائل چالشبرانگيز در اين فرايند، بررسي رفتار ديناميكي حباب با در نظر گرفتن تغييرات پيوسته زاويه تماس حباب در طول فرايند تبخير است. در مطالعه عددي حاضر، تأثير رفتار پويا زاويه تماس حباب بر دقت پيشبيني ضريب انتقال حرارت در طول فرايند تبخير و زمان جدايش حباب از سطح بررسي شده است. در اين تحقيق، براي رديابي مرز مشترك دوفاز مايع و بخار از روش حجم سيال و براي مدلسازي انتقال جرم از فاز مايع به بخار از مدل تغيير فاز لي استفاده شد و اثر زاويه تماس پويا در مقايسه با زاويه تماس ثابت در دقت پيشبيني ضريب انتقال حرارت و رفتار ديناميكي حباب نظير زمان جدا شدن حباب، تأثير ترشوندگي سطح تماس بر تغييرات زاويه تماس و در آخر اثر شار حرارتي و پارامترهاي هندسي حباب بر زمان جدايش و ضريب انتقال حرارت مورد مورد مطالعه قرار گرفت. شبيهسازي تبخير حباب در يك دامنه دوبعدي متقارن تحت شار حرارتي ثابت بر سطح زير حباب انجام گرفت. شبيهسازي در دو حالت زاويه تماس پويا و ثابت انجام شد. مقايسه نتايج مربوط به ضريب انتقال حرارت با رابطه استفان و پروسر نشان داد، درحالت زاويه تماس پويا مقدار ضريب انتقال حرارت پيشبيني شده در مقايسه با زاويه تماس ثابت حدودا 37 درصد بيشتر و در مقايسه با رابطه استفان و پروسر 4/1 درصد خطا دارد. همچنين، در حالت زاويه تماس پويا پارامترهاي هندسي حباب در طول تبخير (قطر و قطر تماس حباب) در مقايسه با نتايج تجربي با خطاي كمتر از 4 درصد پيشبيني شد. اين دقت در پيشبيني پارامترها در حالت زاويه تماس پويا عمدتاً ناشي از در نظر گرفتن تغييرات ضخامت لايه نازك مايع و انتقال پيوستهي نيروهاي كاپيلاري در طول رشد حباب است. همچنين نتايج نشان داد زاويه تماس حباب به شدت تحت تاثير ترشوندگي سطح تماس قرار دارد، بهگونهاي كه تغييرات زاويه تماس بر روي سطوح آبگريز و آبدوست با هم كاملاً متفاوت است، كه باعث ميشود تغييرات ضريب انتقال حرارت سطوح آبگريز و آبدوست با هم متفاوت باشد، در آخر نتايج نشان داد كه افزايش شار حرارتي، كاهش قطر و قطر تماس حباب بهطور قابلتوجهي ضريب انتقال حرارت را افزايش داده و زمان جدايي حباب را كاهش ميدهد.
چكيده انگليسي :
The formation of bubbles on a surface during evaporation markedly influences the surface heat transfer coefficient and is essential for enhancing heat transmission from the surface. The emergence, expansion, and dissipation of a bubble in this phenomenon directly affect the temperature distribution and flow dynamics of the adjacent liquid, especially via alterations in the bubbleʹs contact angle. The contact angle is the angle created by the tangent to the bubble surface and the solid surface at the three-phase contact point. Fluctuations in the contact angle during evaporation influence the magnitude of capillary forces and the spatial arrangement of the thin liquid film underneath the bubble, significantly modifying the evaporation rate and the local heat transfer coefficient. A significant challenge in this process is examining the dynamic behavior of the bubble while accounting for the continual variations in its contact angle during evaporation. This numerical study examines how the dynamic behavior of the bubble contact angle influences the accuracy of predicting the heat transfer coefficient during evaporation and the timing of bubble departure. This research utilized the Volume of Fluid (VOF) approach to monitor the liquid-vapor interface, while the Lee phase-change model was applied to simulate mass transfer from the liquid to the vapor phase. The influence of a dynamic contact angle was evaluated against a static contact angle on the predictive accuracy of the heat transfer coefficient and the dynamic characteristics of the bubble, including departure time. The impact of surface wettability on contact angle fluctuations, as well as the effects of heat flux and bubble geometric parameters on departure time and the heat transfer coefficient, were examined. Bubble evaporation was simulated in a two-dimensional axisymmetric domain under a constant heat flux at the base of the bubble. The simulation was performed under both dynamic and static contact angle situations. A comparison of the heat transfer coefficient results with the Stephan and Prosser correlation indicated that the predicted heat transfer coefficient in the dynamic contact angle scenario is approximately 37% greater than in the static contact angle scenario, with a deviation of 1.4% relative to the Stephan and Prosser correlation. Additionally, in the scenario of dynamic contact angle, the geometric characteristics of the bubble during evaporation (diameter and contact diameter) were forecasted with an error margin of less than 4% relative to experimental findings. The precision in forecasting values in the dynamic contact angle scenario is mostly attributable to the consideration of fluctuations in thin liquid layer thickness and the ongoing transmission of capillary forces during bubble expansion. The findings demonstrated that the bubble contact angle is significantly affected by the wettability of the contact surface, resulting in distinct variations in the contact angle on hydrophobic versus hydrophilic surfaces, which in turn leads to divergent alterations in the heat transfer coefficient for these surfaces. The results indicate that an augmentation in heat flux, along with a reduction in both the bubble diameter and contact diameter, considerably enhances the heat transfer coefficient and decreases the bubble departure time.
استاد راهنما :
رامين كوهي كمالي
استاد داور :
محسن دوازده امامي , علي انصاري