Text

  • Studieort Mälardalen University, room R1-343 and via Zoom or Teams
Datum
  • 2021-03-19 09:00 – 2021-03-19 00:00

Achref Rabhi försvarar sin licentiatuppsats

Achref Rabhi, vid akademin för ekonomi, samhälle och teknik, försvarar den 19 mars 2021 klockan 09.00 sin licentiatuppsats vid MDH Västerås.

Titel: “Numerical Modeling of Subcooled Nucleate Boiling for Thermal Management Solutions Using OpenFOAM”.

Utsedd opponent är: Associate Professor Christophe Duwig

Betygsnämnden består av: Associate Professor Christophe Duwig, KTH Royal Institute of Technology, Docent Henrik Ström, Chalmers University of Technology, Professor Anatoliy Malyarenko, Mälardalen University.

Utsedd reserv är: Professor Hailong Li, Mälardalen University.

Serienummer: 304

Sammanfattning

Utveckling och framåtskridande av ingenjörsmässig utrustning och industriella processer är ofta begränsat av möjligheten att föra bort den utvecklade värmen. Därför möjliggör ett optimalt sätt att bortföra värme en nästa generation av utrustning och processer. Trots en omfattande användning av utrustning för kylning så når metoder för enfaskylning sin maximala prestanda vid c:a 100 W/cm2, vilket kan vara betydligt lägre än nuvarande överförda värmeflöden. Därför krävs en exklusivare/effektivare metod för att bortföra extrema värmeflöden, samtidigt som driftkostnaderna hålls låga.

Tvåfaskylning och kokande flöden som genomgår en fasändring är en lovande metod att bortföra höga värmeflöden, samtidigt som yttemperaturen hålls likformig några grader över mättnadstemperaturen. Sådana flöden kan arbeta med låga tryckfall och ett flera gånger större värmeöverföringstal kan uppnås om mekanismen för värmeöverföring sker i området för underkyld kärnkokning.

Detta arbete fokuserar på CFD modellering av underkylda kokande flöden vid låga och måttliga tryck i mikrokanaler genom att använda det öppna verktyget OpenFOAM. Flerdimensionella CFD simuleringar med trovärdig återkoppling är utförda för att modellera uppåtströmmande kokande vatten i en smal rektangulär kanal (3 mm x 100 mm x 400 mm) vilken värms på ena sidan av ett konstant värmeflöde. Ett flertal befintliga modeller för underkyld kokning är utvärderade och analyserade för att fastställa deras kapacitet för utfall/resultat. Det visas i detta arbete att utfall associerade med befintliga modeller för underkyld kokning inte är noggranna/precisa. Nyckelparametrar vid konvektiv kokning såsom termofysikaliska egenskaper för de inblandade ämnena (densitet, specifikt värme, termisk konduktivitet för arbetsmediet och den uppvärmda ytan), vätske-/ångfas termodynamiska egenskaper (ytspänning, kontaktvinkel och tryck) och den uppvärmda ytans mikroegenskaper (medelvärde på ytråhet och totala antalet mikrokaviteter) måste beaktas i en modell för underkyld kokning för att förbättra utfallets noggrannhet.

En känslighetsanalys för transport av rörelsemängd mellan två ytor vid kokande köldmedium, som strömmar uppåt i smala cirkulära rör, är utfört med hjälp av CFD simuleringar. Denna konfiguration ses ofta i industriella applikationer relaterade till kraftproduktion. Resultaten visar att alla krafter som verkar på bubblor mellan två ytor har signifikant påverkan på kokområdet, med undantag av lyftkraften som har en minimal påverkan och kan försummas vid simuleringarna.

I detta arbete har tillgängliga modeller, som finns i litteraturen, för krafter mellan två ytor implementerats och utvärderats. De mest noggranna/exakta modellerna är framhävda här och föreslagna som rekommendationer för framtida simuleringar. Genom att använda förbättrade CFD data för underkyld kärnkokning av vatten vid atmosfärstryck som flödar uppåt i smala rektangulära kanaler, värmda från ena sidan, så kan en modell för underkyld kokning (ONB) studeras och utvärderas. Då kärnkokning startar (ONB) sker ett omslag från enfas påtvingad konvektiv värmeöverföring till värmeöverföring vid tvåfas underkyld kärnkokning. De konvektiva beroendena som påverkar vid kärnkokning fastställs och tas i beaktelse för att utveckla en ny matematisk modell för denna kokparameter.

Den nya utvecklade modellen för kärnkokning involverar Reynolds tal vid inloppet, flödesområdet, underkylning vid inloppet, det pålagda värmeflödet samt termofysikaliska data för de inblandade materialen. Denna modell kännetecknas av ett stort giltighetsintervall, erhållet från den utökade vidden av driftvillkor som använts vid CFD simuleringarna. Den nya modellen för kärnkokning ger utfall med en noggrannhet på ±2.7% istället för ±30% som de flesta modeller i litteraturen. Det föreslagna arbetet här består av en kunskapsbas för trovärdiga CFD simuleringar av kokande flöden.

Modeller för underkyld kärnkokning som skall leda till noggrannare/bättre CFD modelleringar är presenterade. En metodik för att bygga noggranna modeller för underkyld kärnkokning baserade på CFD simuleringar är presenterad. Arbetet som presenteras här kan användas vidare för att utveckla ett hybrid 1D-3D simuleringsverktyg som kan användas för optimering av drift och system med tvåfas kylning samt att termiskt förvalta komplexa industriella energisystem.

Kontaktinformation

Doktorand

Achref Rabhi

021-10 16 62

achref.rabhi@mdh.se

Till toppen