[논문 리뷰] Hybrid phase-change lattice Boltzmann simulation of the bubble nucleation and different boiling regimes of conjugate boiling heat transfer

Wandong Zhao, Jianhan Liang외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 25.

Lattice Boltzmann Simulation Studies참고 문헌 67인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 공액 열전달 시스템 내에서 기포 핵형성과 다중 비등 영역을 시뮬레이션하기 위해 하이브리드 상변화 라티스 보른만 방법(LBM)을 개발한다. 이는 공액 열전달이 비등 역학에 상당한 영향을 미친다는 것을 입증하며, 모델이 임계 열부하를 정확히 재현하고 전이 비등 중에 발생하는 진동하는 열부하 및 횡방향 기포 운동과 같은 복잡한 거동을 포착한다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 풀 비온 시스템 내에서 공액 열전달(CHT)이 비등 열전달 메커니즘에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 고정 온도 경계 조건(핵형성 점이 있는 경우)과 변동하는 온도 조건이 비등 영역의 시작과 진행에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 임계 열부하(CHF)에 대한 분석적 해와의 비교를 통해 하이브리드 상변화 LBM 모델을 검증하는 것.
• 비등 영역의 핵형, 전이, 필름 비등 단계에서 히터 내 열응답 및 열전달 메커니즘을 분석하는 것.

제안 방법

• 다상 유동 및 비온 시스템 내 상변화를 시뮬레이션하기 위해 개선된 하이브리드 가짜퍼텐셜 상변화 라티스 보른만 방법(LBM)을 사용한다.
• 유체 역학을 위한 라티스 보른만 방정식과 상전이 및 계면 역학을 포착하기 위한 가짜퍼텐셜 모델을 결합한다.
• 유체 영역과 고체 히터 영역를 결합하여 공액 열전달을 모델링하며, 고체 내 열저항과 온도 분포를 고려한다.
• CHT 효과를 분리하기 위해 동일한 경계 조건 하에 CHT가 있는 경우와 없는 경우의 두 개의 수치 도메인을 비교한다.
• 핵형성 점이 있는 고정 온도 경계 조건과 소규모 열변동이 있는 조건을 적용하여 비등 영역 전이에 미치는 영향을 평가한다.
• 모델의 정량적 정확성을 확인하기 위해 시뮬레이션된 임계 열부하(CHF)를 분석적 해와 비교하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공액 열전달은 핵형 비등에서 필름 비등으로의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 고정 온도 경계 조건(핵형성 점이 있는 경우)과 변동하는 온도 조건이 비등 영역의 발달에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 하이브리드 상변화 LBM는 풀 비온에서 임계 열부하를 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ4 다양한 비등 영역에서 히터 내 열응답과 열부하 변동은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 전이 비등 중에 기포의 동적 거동, 예를 들어 횡방향 이동은 어떠한가?

주요 결과

• 공액 열전달(CHT)을 포함한 경우, 비-CHT 시뮬레이션에서 관찰된 경향을 뒤집는다: CHT는 핵형성 점이 있는 고정 온도 조건에서 필름 비등을 억제한다.
• 핵형성 점이 있는 고정 온도 경계 조건 하에서 CHT 사례에서 핵형 비등의 시작부터 완전히 발달된 필름 비등에 이르는 전체 비등 곡선이 성공적으로 시뮬레이션되었다.
• 시뮬레이션된 임계 열부하(CHF)는 분석적 해와 뛰어난 일치를 보이며, 하이브리드 상변화 LBM의 정량적 정확성을 검증한다.
• 전이 비등 중 및 CHF 근처에서는 높은 진동성 열부하와 횡방향 기포 운동이 관찰되어 강한 비정상적 열역학적 및 유체역학적 결합이 있음을 시사한다.
• 히터 내 열응답 분석을 통해 특히 CHF 근처에서 두드러진 온도 기울기와 시간에 따라 변하는 변화가 확인되어 고체상의 열 관성의 중요성을 강조한다.
• 이 연구는 CHT가 특히 전이 및 필름 비등 영역에서 열부하 분포 및 기포 이탈 거동을 수정함으로써 비등 역학을 본질적으로 변화시킴을 보여준다.