[論文レビュー] Hybrid phase-change lattice Boltzmann simulation of the bubble nucleation and different boiling regimes of conjugate boiling heat transfer

Wandong Zhao, Jianhan Liang+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2019

Lattice Boltzmann Simulation Studies参考文献 67被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、共役熱伝達系における気泡核生成および複数の沸騰状態をシミュレートするため、ハイブリッド相変化格子ボルツマン法（LBM）を開発した。共役熱伝達が沸騰ダイナミクスに顕著な影響を及ぼすことが示され、モデルは臨界熱フラックス（CHF）を正確に再現し、遷移沸騰期におけるフラクチュエーティングな熱フラックスや横方向の気泡運動といった複雑な挙動を捉えている。

ABSTRACT

Pool boiling characteristics in two computational domains with and without considering conjugate heat transfer (CHT) were numerically simulated by an improved hybrid pseudopotential phase-change lattice Boltzmann method (LBM). The effects of constant temperature boundary condition (BC) with nucleate spots and fluctuant temperature on the boiling process were investigated in detail. It was found that for the computational domain without CHT, the treatment of constant temperature BC with nucleate spots is quite easier to produce film boiling than the temperature BC with small fluctuation. However, the results would be the opposite for the case with CHT. The entire boiling curve from the onset of nucleate boiling to fully developed film boiling was presented using the computational domain considering CHT and constant temperature BC with nucleate spots. The simulated critical heat flux showed an excellent agreement with the existing analytical solutions. Hence, the current hybrid phase-change LBM was quantitatively verified. The highly fluctuant heat flux occurred in the CHF and transition boiling as well as the transverse movement of the bubbles had been observed. Furthermore, the thermal responses inside the heater and heat transfer mechanism in different boiling patterns were also comprehensively studied.

研究の動機と目的

• プール沸騰系における共役熱伝達（CHT）が沸騰熱伝達メカニズムに与える影響を調査すること。
• 定常温度境界条件（核生成スポットあり）と変動する温度境界条件の違いが、沸騰状態の始発および進行に与える影響を検討すること。
• 臨界熱フラックス（CHF）に対する解析的解と比較することで、ハイブリッド相変化LBMモデルの妥当性を検証すること。
• 核沸騰、遷移沸騰、膜沸騰の各状態におけるヒーター内の熱応答および熱伝達メカニズムを分析すること。

提案手法

• 多相流および沸騰系における相変化をシミュレートするために、改良されたハイブリッド擬ポテンシャル相変化格子ボルツマン法（LBM）を採用した。
• 流体動力学のための格子ボルツマン方程式と、相転移および界面ダイナミクスを捉えるための擬ポテンシャルモデルを結合した。
• 共役熱伝達は、流体領域と固体ヒーター領域を結合することでモデル化され、固体内の熱抵抗および温度分布を考慮した。
• CHT効果を分離するために、同一の境界条件の下でCHTありとCHTなしの2つの計算領域を比較した。
• 核生成スポットを有する定常温度境界条件と、微小な熱的フラクチュエーションを有する境界条件を適用し、沸騰状態移行への影響を評価した。
• シミュレートされた臨界熱フラックス（CHF）を解析的解と比較することで、モデルの定量的正確性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共役熱伝達は、核沸騰から膜沸騰への移行にどのように影響を与えるか？
• RQ2 定常温度境界条件（核生成スポットあり）と変動する境界条件の種別が、沸騰状態の発達に与える影響は何か？
• RQ3 ハイブリッド相変化LBMは、プール沸騰における臨界熱フラックスを正確に予測できるか？
• RQ4 異なる沸騰状態において、ヒーター内の熱応答および熱フラックスのフラクチュエーションはどのように変化するか？
• RQ5 遷移沸騰期における気泡の動的挙動（例：横方向移動）は何か？

主な発見

• 共役熱伝達（CHT）の導入により、非CHTシミュレーションで観察された傾向とは逆転する結果が得られた：CHTは、核生成スポットを有する定常温度条件下で膜沸騰を抑制した。
• 定常温度境界条件および核生成スポットを有するCHTケースでは、沸騰曲線の全範囲（核沸騰の始発から完全に発達した膜沸騰まで）が成功裏にシミュレートされた。
• シミュレートされた臨界熱フラックス（CHF）は解析的解と良好に一致し、ハイブリッド相変化LBMの定量的正確性が裏付けられた。
• 遷移沸騰期およびCHF付近では、顕著な熱フラックスのフラクチュエーションおよび横方向の気泡運動が観察され、強い非定常的熱的・流動的結合が示唆された。
• ヒーター内の熱応答は、特にCHF付近で顕著な温度勾配と時間依存的変動を示し、固体相の熱慣性の重要性が強調された。
• 本研究では、CHTが特に遷移沸騰および膜沸騰状態において、熱フラックス分布および気泡離脱挙動を変化させることにより、沸騰ダイナミクスを根本的に変化させることを示した。