Nucleate boiling enhancement by structured surfaces with distributed wettability-modified regions: A lattice Boltzmann study

2021 ◽  
pp. 117130
Author(s):  
W.X. Li ◽  
Q. Li ◽  
Y. Yu ◽  
Kai H. Luo
Keyword(s):  
Lattice Boltzmann ◽  
Nucleate Boiling ◽  
Structured Surfaces ◽  
Boiling Enhancement

Numerical simulation of vapor bubble growth on a vertical superheated wall using lattice Boltzmann method

2015 ◽  
Vol 25 (5) ◽  
pp. 1214-1230 ◽  
Author(s):  
Tao Sun ◽  
Weizhong Li ◽  
Bo Dong
Keyword(s):  
Heat Transfer ◽  
Numerical Simulation ◽  
Phase Change ◽  
Lattice Boltzmann Method ◽  
Lattice Boltzmann ◽  
Nucleate Boiling ◽  
Numerical Results ◽  
Heat Transfer Mechanism ◽  
Content Type ◽  
Boltzmann Method

Purpose – The purpose of this paper is to test the feasibility of lattice Boltzmann method (LBM) for numerical simulation of nucleate boiling and transition boiling. In addition, the processes of nucleate and transition boiling on vertical wall are simulated. The heat transfer mechanism is discussed based on the evolution of temperature field. Design/methodology/approach – In this paper, nucleate boiling and transition boiling are numerically investigated by LBM. A lattice Boltzmann (LB) multiphase model combining with a LB thermal model is used to predict the phase-change process. Findings – Numerical results are in good agreement with existing experimental results. Numerical results confirm the feasibility of the hybrid LBM for direct simulations of nucleate and transition boiling. The data exhibit correct parametric dependencies of bubble departure diameter compared with experimental correlation and relevant references. Research limitations/implications – All the simulations are performed in two-dimensions in this paper. In the future work, the boiling process will be simulated in three-dimensional. Practical implications – This study demonstrated a potential model that can be applied to the investigation of phase change heat transfer, which is one of the effective techniques for enhance the heat transfer in engineering. The numerical results can be considered as a basic work or a reference for generalizing LB method in the practical application about nucleate boiling and transition boiling. Originality/value – The hybrid LBM is first used for simulation of nucleate and transition boiling on vertical surface. Heat transfer mechanism during boiling is discussed based on the numerical results.

scholarly journals Lattice Boltzmann Simulation of Nucleate Pool Boiling in Saturated Liquid

2011 ◽  
Vol 9 (5) ◽  
pp. 1347-1361 ◽  
Author(s):  
Yoshito Tanaka ◽  
Masato Yoshino ◽  
Tetsuo Hirata
Keyword(s):  
Lattice Boltzmann ◽  
Solid Wall ◽  
Bubble Diameter ◽  
Pool Boiling ◽  
Nucleate Boiling ◽  
Bubble Nucleation ◽  
Immiscible Fluids ◽  
Nucleate Pool Boiling ◽  
Two Phase ◽  
Boiling Process

AbstractA thermal lattice Boltzmann method (LBM) for two-phase fluid flows in nucleate pool boiling process is proposed. In the present method, a new function for heat transfer is introduced to the isothermal LBM for two-phase immiscible fluids with large density differences. The calculated temperature is substituted into the pressure tensor, which is used for the calculation of an order parameter representing two phases so that bubbles can be formed by nucleate boiling. By using this method, two-dimensional simulations of nucleate pool boiling by a heat source on a solid wall are carried out with the boundary condition for a constant heat flux. The flow characteristics and temperature distribution in the nucleate pool boiling process are obtained. It is seen that a bubble nucleation is formed at first and then the bubble grows and leaves the wall, finally going up with deformation by the buoyant effect. In addition, the effects of the gravity and the surface wettability on the bubble diameter at departure are numerically investigated. The calculated results are in qualitative agreement with other theoretical predictions with available experimental data.

Flow Boiling on Heterogeneous Wetting Surface in a Vertical Narrow Microchannel

2020 ◽  
Author(s):  
Yuhao Lin ◽  
Junye Li ◽  
Kan Zhou ◽  
Wei Li ◽  
Kuang Sheng ◽  
...  
Keyword(s):  
Heat Transfer ◽  
Flow Instability ◽  
Flow Boiling ◽  
Nucleate Boiling ◽  
Flow Patterns ◽  
Bubble Nucleation ◽  
Working Fluid ◽  
Hydrophilic Surface ◽  
Structured Surfaces ◽  
Boiling Process

Abstract The micro structured surfaces have significant impact on the flow patterns and heat transfer mechanisms during the flow boiling process. The hydrophobic surface promotes bubble nucleation while the hydrophilic surface supplies liquid to a heating surface, thus there is a trade-off between a hydrophobic and a hydrophilic surface. To examine the effect of heterogeneous wetting surface on flow boiling process, an experimental investigation of flow boiling in a rectangular vertical narrow microchannel with the heterogeneous wetting surface was conducted with deionized water as the working fluid. The heat transfer characteristics of flow boiling in the microchannel was studied and the flow pattern was photographed with a high-speed camera. The onset of flow boiling and heat transfer coefficient were discussed with the variation of heatfluxes and mass fluxes, the trends of which were analyzed along with the flow patterns. During the boiling process, the dominated heat transfer mechanism was nucleate boiling, with numerous nucleate sites between the hydrophilic/hydrophobic stripes and on the hydrophobic ones. In the meantime, after the merged bubbles were constrained by the channel walls, it would be difficult for them to expand towards upstream since they were restricted by the contact line between hydrophilic/hydrophobic stripes, thereby reduce the flow instability and achieve remarkable heat transfer performance.

Growth of Micro Bubbles on Micro-Configured Metal-Graphite Composite Surfaces and Boiling Enhancement

2008 ◽  
Author(s):  
David Chao ◽  
Nengli Zhang ◽  
Wen-Jie Yang
Keyword(s):  
Heat Transfer ◽  
Boiling Heat Transfer ◽  
Active Sites ◽  
Nucleate Boiling ◽  
Transfer Enhancement ◽  
Growth Processes ◽  
Graphite Composite ◽  
Boiling Enhancement ◽  
Structure Of Metal ◽  
Graphite Fibers

A series of studies in nucleate boiling phenomena on metal-graphite composite surfaces has been investigated by Prof. Wen-Jei Yang and their associates. It has been discovered that the unique micro-configured construction of the composite surfaces plays a crucial role in the enhancement of boiling heat transfer. The present paper focuses on the formation and growth processes of micro bubbles and the micro/nano scale boiling behavior to reveal the mechanism of boiling heat transfer enhancement on the unique surfaces. The growth processes of the micro and macro bubbles are analyzed and formulated followed by an analysis of bubble departure. Based on these analyses, the enhancement mechanism of the pool boiling heat transfer on the composite surfaces is clearly revealed. The micro-configured composite surfaces provide more even distribution of a great number of stable boiling active sites through the graphite fibers. Consequently, the heat conduction through the layers is increased, which provides the power of phase change at the interfaces on bubble bottoms. Experimental results convincingly demonstrate the enhancement effects of the unique structure of metal-graphite composite surfaces on boiling heat transfer.

scholarly journals Design of micro- and nano-structured surfaces with tunable wettability

2017 ◽  
Author(s):  
Νικόλαος Χαμάκος
Keyword(s):  
Molecular Dynamics ◽  
Lattice Boltzmann ◽  
Lab On A Chip ◽  
Nelumbo Nucifera ◽  
Sharp Interface ◽  
Navier Stokes ◽  
Structured Surfaces

Η συνεισφορά της παρούσας διδακτορικής διατριβής στην υπάρχουσα επιστημονική γνώση είναι η ανάπτυξη μίας νέας μεθοδολογίας, συνεχούς μέσου, για τη μοντελοποίηση φαινομένων διαβροχής σε σύνθετες (τραχιές ή χημικά ετερογενείς) στερεές επιφάνειες, βασιζόμενη στη θεώρηση της διεπιφάνειας μηδενικού πάχους (sharp-interface). Αυτή η προσέγγιση είναι εξαιρετικά σημαντική για τον σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση της τραχύτητας στερεών επιφανειών με επιθυμητή και πλήρως ελεγχόμενη διαβρεκτικότητα. Αντίστοιχες μικρο- και νανο-δομημένες επιφάνειες συναντώνται σε πολλά φυσικά συστήματα, προσδίδοντας τους αξιοζήλευτες διαβρεκτικές ιδιότητες. Τέτοια παραδείγματα είναι το φύλλο του λωτού (Nelumbo nucifera) που έχει τη δυνατότητα αυτοκαθαρισμού με το νερό της βροχής, το σκαθάρι της ερήμου (Stenocara gracilipes) που συλλέγει πόσιμο νερό αξιοποιώντας την πρωινή ομίχλη και το φτερό της πεταλούδας Morpho aega, το οποίο καλύπτεται με κεκλιμένες, ασύμμετρες, μικρο-δομές που ευνοούν την αποβολή της υγρασίας και συνεπώς ενισχύουν την πτητική της ικανότητα. Ο σχεδιασμός τεχνητών μικρο- και νανο-δομημένων επιφανειών, με πρότυπο τις φυσικές μορφολογίες, είναι πολύ σημαντικός σε επίπεδο τεχνολογικών εφαρμογών όπως, μεταξύ άλλων, για τη μείωση της αντίστασης τριβής του νερού στο κύτος πλοίων, για τη διαχείριση υγρών σε μικρο-συσκευές αναλύσεων (lab-on-a-chip) και για τη συλλογή πόσιμου νερού από τα σταγονίδια της ομίχλης σε περιοχές με λειψυδρία. Η υλοποίηση των παραπάνω εφαρμογών, ωστόσο, δεν έχει ακόμα πλήρως επιτευχθεί λόγω περιορισμών στις μεθόδους κατασκευής τεχνητών μικρο- και νανο-δομημένων επιφανειών, καθώς και λόγω των ανεπαρκών δυνατοτήτων για ακριβή μοντελοποίηση της συμπεριφοράς υγρών σε τέτοιες σύνθετες επιφάνειες (δεδομένου ότι μια τραχιά επιφάνεια μπορεί να φιλοξενήσει ένα μεγάλο πλήθος μετασταθών καταστάσεων διαβροχής). Η μέθοδος που προτείνεται σε αυτή τη διατριβή συμβάλλει ουσιαστικά στην αντιμετώπιση του τελευταίου περιορισμού, επιτρέποντας τη μοντελοποίηση τόσο της στατικής όσο και της δυναμικής διαβρεκτικότητας σε κάθε είδους ετερογενή επιφάνεια. Οι συμβατικές μεθοδολογίες μοντελοποίησης των φαινομένων διαβροχής αποδεικνύονται ως ανεπαρκή εργαλεία για τον σχεδιασμό της μικρο-δομής των παραπάνω επιφανειών καθώς: είτε αποτυγχάνουν να περιγράψουν επαρκώς την περίπλοκη συμπεριφορά μιας σταγόνας σε ένα τραχύ υπόστρωμα, ή έχουν απαγορευτικά μεγάλο υπολογιστικό κόστος για σταγόνες συνηθισμένου μεγέθους (ακτίνας μερικών χιλιοστών). Αφενός μεν, τα μοντέλα συνεχούς μέσου περιορίζονται λόγω της ανάγκης εφαρμογής συνοριακών συνθηκών σε πολλαπλές (άγνωστες σε αριθμό) γραμμές επαφής των τριών φάσεων (υγρού-στερεού-αέρα) της σταγόνας. Αφετέρου δε, τα μοντέλα μέσο- (lattice-Boltzmann) ή νάνο- (molecular dynamics) κλίμακας, που χρησιμοποιούνται συνήθως για τέτοιου είδους προβλήματα, ξεπερνούν τον παραπάνω περιορισμό, εντούτοις έχουν απαγορευτικά μεγάλες υπολογιστικές απαιτήσεις. Για να αντιμετωπιστούν τα παραπάνω προβλήματα, σε αυτή τη διδακτορική διατριβή προτείνεται μια νέα μεθοδολογία συνεχούς μέσου, στην οποία υιοθετείται μια ενιαία αντιμετώπιση (αποφεύγοντας τις συνοριακές συνθήκες στις γραμμές επαφής) για τις διεπιφάνειες υγρού-αέρα και υγρού-στερεού της σταγόνας. Επίσης, η διαβρεκτικότητα του στερεού, στην προτεινόμενη προσέγγιση, καθορίζεται πλέον από διαμοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ στερεής και υγρής φάσης. Με την παραπάνω θεώρηση, καθίσταται μη αναγκαία η εφαρμογή οποιασδήποτε συνοριακής συνθήκης στις γραμμές επαφής των τριών φάσεων, επιτρέποντας έτσι την προσομοίωση ολόκληρων σταγόνων (ακτίνας μερικών χιλιοστών) σε στερεές επιφάνειες με τραχύτητα. Η παραπάνω προσέγγιση μπορεί να εφαρμοστεί τόσο για υπολογισμούς ισορροπίας σταγόνων (επαναδιατυπώντας την εξίσωση Young-Laplace, η οποία διέπει την μηχανική ισορροπία της επιφάνειας της σταγόνας) όσο και για δυναμικές προσομοιώσεις (τροποποιώντας τις εξισώσεις ροής (Navier-Stokes) στο υδροδυναμικό μοντέλο). Η προτεινόμενη μεθοδολογία προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε αρχικά για την εύρεση πολλαπλών μετασταθών καταστάσεων ισορροπίας σταγόνων σε στερεές επιφάνειες με τραχύτητα. Επιπλέον, παρουσιάστηκε ο υπολογισμός των ενεργειακών φραγμάτων που διαχωρίζουν τις παραπάνω καταστάσεις ισορροπίας. Το ύψος των ενεργειακών φραγμάτων είναι εξαιρετικά σημαντικό για τον σχεδιασμό αυτοκαθαριζόμενων επιφανειών, με πρότυπο το φύλλο του λωτού. Παρατηρήθηκε επίσης, ότι τα αποτελέσματα της προτεινόμενης μεθόδου συμφωνούν με αντίστοιχα αποτελέσματα από υπολογισμούς μέσο-κλίμακας (lattice-Boltzmann), παρ' όλες τις θεμελιώδεις διαφορές στις δύο προσεγγίσεις. Στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε την προτεινόμενη μεθοδολογία για να μελετήσουμε συστήματα ηλεκτροδιαβροχής (electrowetting) (όπου το σχήμα της επιφάνειας της σταγόνας μεταβάλλεται με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου) σε περιπτώσεις όπου σταγόνες διαβρέχουν τραχιές διηλεκτρικές επιφάνειες. Επιπρόσθετα, βασιζόμενοι στις παραπάνω προσομοιώσεις συστημάτων ηλεκτροδιαβροχής, επαληθεύσαμε πειραματικά τον δυναμικό έλεγχο των διαβρεκτικών ιδιοτήτων μικρο-δομημένων επιφανειών. Η προτεινόμενη προσέγγιση εφαρμόστηκε επίσης με επιτυχία για τη μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς σταγόνων που προσκρούουν σε τραχιές επιφάνειες. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε ότι οι υπολογιστικές μας προβλέψεις συμφωνούν, με μεγάλη ακρίβεια, με αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις. Στη συνέχεια μελετήθηκε η μετακίνηση σταγόνων, υπό την επίδραση εξαναγκασμένων ταλαντώσεων, σε επιφάνειες με ασύμμετρη τραχύτητα, έχοντας ως πρότυπο τη μορφολογία του φτερού της πεταλούδας Morpho aega. Η συγκεκριμένη τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί για τη μεταφορά υγρών σε μικρο-συσκευές. Με τη μελέτη των παραπάνω προβλημάτων, αποδεικνύεται ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι ένα πολύτιμο εργαλείο για τον σχεδιασμό της μικρο-δομής επιφανειών με πλήρως ελεγχόμενη διαβρεκτικότητα, απαραίτητες σε τεχνολογικές εφαρμογές.

Horizontal-Tube Falling-Film Evaporation With Structured Surfaces

1989 ◽  
Vol 111 (2) ◽  
pp. 518-524 ◽  
Author(s):  
M.-C. Chyu ◽  
A. E. Bergles
Keyword(s):  
Heat Transfer ◽  
Heat Flux ◽  
Pool Boiling ◽  
Nucleate Boiling ◽  
High Heat ◽  
High Flux ◽  
Falling Film ◽  
Structured Surfaces ◽  
Film Evaporation ◽  
Falling Film Evaporation

Extensive experimental tests for tubes with commercial structured surfaces in a horizontal single-tube falling-film evaporator were conducted. The test sections were hollow copper cylinders with GEWA-T, Thermoexcel-E, or High Flux surfaces electrically heated by inserted cartridge heaters. A smooth surface cylinder was also tested for reference. All tubes were tested in both pool boiling and falling-film evaporation with water. The results reveal that falling-film evaporation provides much higher heat transfer coefficients than pool boiling in the low heat flux, convective region. The GEWA-T surface enhances heat transfer through its increased and accessible area, while Thermoexcel-E and High Flux demonstrate high heat transfer performances because of enhanced nucleate boiling. The falling-film evaporation data for the structured surfaces either merge or show a tendency to merge with the respective pool boiling curves at high heat fluxes. Unusual incipient boiling behavior of Thermoexcel-E and the effects of factors such as surface aging, surface subcooling, film flow rate, liquid feed height, and rate of heat flux change, are described.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document