مطالعه عددي تغيير الگوي جريان دو‌فازي در اثر حضور حباب‌هاي ناشي از جوشش حبابي در يك محفظه بلند حاوي دو سيال غير قابل امتزاج

Numerical study on the two-phase flow pattern due to the presence of bubbles caused by nucleate boiling in a tall cavity containing two incompatible fluids

در بين روش­هاي مختلف انتقال حرارت، پديده جوشش حبابي به عنوان يك روش با قابليت انتقال حرارت بالا، همواره مورد توجه بسياري از محققان بوده است. از طرف ديگر، پديده همرفت طبيعي و پديده جوشش در سيالات، داراي تاثير متقابل بر همديگر بوده و منجر به تقويت و تضعيف يكديگر در حالت­هاي مختلف مي­شوند. بدين منظور در مطالعه عددي حاضر، يك محفظه بلند محتوي دو سيال­ غير قابل امتزاج ( آب، بخار و هوا) و با ديوار جانبي داراي شار حرارت گرمايي يكنواخت به صورت سه بعدي مورد مطالعه قرار گرفته است. در اين مطالعه ابتدا بازه ­ي شار حرارتي كه به ازاي آن جوشش هسته­اي اتفاق مي­افتد، پيش­بيني شده است و سپس، تاثير متقابل پديده هاي جوشش و همرفت طبيعي بر روي همديگر و تاثير پارمترهاي مختلف بر روي انتقال حرارت مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج اين مطالعه نشان مي دهد كه با افزايش عدد رايلي به موجب افزايش ارتفاع بي بعد سيال در محفظه بلند، امكان جدا شدن حباب­هاي گازي ناشي از جوشش از سطح ديواره بهبود يافته و در نتيجه تغيير رژيم جوشش حبابي به جوشش فيلمي به تاخير مي­افتد. ولي در ارتفاع بي­بعد كمتر كه داراي عدد رايلي پايين­تري هستند، جريان ناشي از همرفت طبيعي توانايي لازم براي جدا كردن حباب ­ها از سطح را ندارد و حباب­ها به جاي جداشدن از سطح ديواره، بر روي آن مي­لغزند. همچنين گردابه­هاي ناشي از همرفت طبيعي ابتدا در قسمت­هاي پايين محفظه تشكيل مي­يابد و تدريجا اين گردابه­ها توسعه يافته و در قسمت هاي ديگر از محفظه داراي سيال، فعال مي­شود. در اين مقاله به خوبي نشان داده شده است كه توليد و جدا شدن حباب­ها سبب آشفتگي در اين جريان­ ها مي­ شود.

Among the methods of heat transfer, the bubble boiling phenomenon as a method with high heat transfer coefficient is considered by many researchers. On the other hand, natural convection and nucleate boiling have interactions on each other which lead to strengthening and weakening each other in different situations. In the present numerical study, a three-dimensional tall cavity filled with incompatible fluids of water, vapor, and air with a uniform heat flux on the main wall has been investigated. At first in this study, the range of the critical heat flux for nucleate boiling has been predicted and then, the interaction between the natural convection and nucleate boiling and the effective parameters on heat transfer have been studied. The results show that increase in the Raleigh number due to increase in the dimensionless height of fluid in the tall cavity has improved the enhance of separation of gas bubbles due to boiling pheromone on the wall surface and as a result, has delayed the film boiling regime. However, in lower dimensionless heights of fluid in the cavity (lower Rayleigh number), streams of fluid due to natural convection haven’t got enough strength to separate bubbles from the surface and bubbles slip on the surface instead of separating from it. In addition, vortexes of fluid caused by natural convection, first form in the down parts of the cavity and then they gradually develop and be active in other parts of the fluid. Also in this paper is well shown that the production and separation of the gas bubbles cause turbulence in the fluid flows..