Experimental investigation and mechanistic modelling of dilute bubbly bulk boiling

Abstract

During evaporation the geometric shape of the vapour is not described using thermodynamics. In bubbly flows the bubble shape is considered spheric with small diameters and changing into various shapes upon growth. The heat and mass transfer happens at the interfacial area. The forces acting on the bubbles depend on the bubble diameter and shape. In this work the prediction of the bubble diameter and/or bubble number density in bulk boiling was considered outside the vicinity of the heat input area. Thus the boiling effects that happened inside the nearly saturated bulk were under investigation. This situation is relevant for nuclear safety analysis concerning a stagnant coolant in the spent fuel pool. In this research project a new experimental set-up to investigate was built. The experimental set-up consists of an instrumented, partly transparent, high and slender boiling container for visual observation. The direct visual observation of the boiling phenomena is necessary for the identification of basic mechanisms, which should be incorporated in the simulation model. The boiling process has been recorded by means of video images and subsequently was evaluated by digital image processing methods, and by that data concerning the characteristics of the boiling process were generated for the model development and validation. Mechanistic modelling is based on the derivation of relevant mechanisms concluded from observation, which is in line with physical knowledge. In this context two mechanisms were identified; the growth/-shrink mechanism (GSM) of the vapour bubbles and sudden increases of the bubble number density. The GSM was implemented into the CFD-Code ANSYS-CFX using the CFX Expression Language (CEL) by calculation of the internal bubble pressure using the Young-Laplace-Equation. This way a hysteresis is realised as smaller bubbles have an increased internal pressure. The sudden increases of the bubble number density are explainable by liquid super-heating. The liquid super-heating is only possible if the heat and mass transfer between the phases is slower than the saturation temperature reduction by hydrostatic pressure decreases along the height of the boiling container or due to bubble growth. By activation of the so far inactive micro-bubbles in the liquid bulk volume the bubble number density quickly increases. This effect is modelled by an algebraic function that uses a constant bubble number density in the vicinity of the saturation temperature and applies an exponentially increased bubble number density depending on the liquid super-heating. Based on modelling a local and variable bubble number density numerical flow simulationswere performed. The simulations showed that this approach is a suitable model to describe the mechanisms found in the experiments. Model parameters were determined and verified by correlation with the experimental data.

Bei Verdampfungsvorgängen ist die geometrische Gestalt des entstehenden Dampfs nicht durch die Thermodynamik beschrieben. Entstehende Dampfblasen sind zunächst sphärisch und verformen sich mit zunehmender Größe. Der Wärme- und Massentransport erfolgt über die Phasengrenzfläche. Die Interaktion von Kräften zwischen Dampfblasen und umgebender Flüssigkeit sind von Blasengröße und Form abhängig. Entsprechend ist es notwendig für eine vollständige thermofluiddynamische Beschreibung auch die Blasengestalt zu beschreiben. In dieser Arbeit ist das Verhalten der Blasenanzahldichte, also der Blasenanzahl bezogen auf das betrachtete Volumen, abseits von Heizflächen betrachtet worden. Es sind demzufolge Siedevorgänge innerhalb von gesättigten Flüssigkeitsvolumen betrachtet worden. Diese Fragestellung ist im Rahmen von nuklearen Sicherheitsbetrachtungen, wie dem Verlust der Kühlung im Brennelementlagerbecken wichtig zu beantworten. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein neuer Versuchsaufbau entstanden und untersucht worden. Der Versuchsaufbau besteht aus einem instrumentierten, hohen und schlanken Siedebehälter, dessen teilweise Transparenz der Beobachtung der Siedevorgänge dient. Die Beobachtung der Siedevorgänge dient der Identifikation von grundlegenden Wirkmechanismen und soll die Basis für ein neues Simulationsmodell bilden. Die Siedevorgänge sind mittels Videoaufnahmen aufgezeichnet worden und wurden anschließend mittels digitaler Bildbearbeitung ausgewertet. Die ermittelten Daten dienen der quantitativen Bewertung bei der Modellentwicklung und der Validierung. Eine mechanistische Modellierung basiert auf der Ableitung von Wirkmechanismen aus einerseits der Beobachtung von Prozessen und andererseits aus der physikalischen Erklärung dieser. In diesem Zusammenhang wurden zwei wesentliche Mechanismen identifiziert; der Wachstums-/Schrumpf-Effekt der Dampfblasen und plötzliche Anstiege der Blasenanzahldichte. Der Wachstums-/Schrumpf-Effekt ist in Ansys CFX® durch die Berücksichtigung des Blaseninnendrucks mittels der Young-Laplace-Gleichung implementiert worden. Auf diese Weise besteht ein Wirkmechanismus, welcher die beobachtete Hysterese abbildet. Die plötzlichen Anstiege der Blasenanzahldichte sind durch lokale Flüssigkeitsüberhitzungen erklärbar. Dabei ist eine lokale Überhitzung nur dann möglich, wenn der Wärme-/Massentransfer zwischen den Phasen langsamer erfolgt als die Reduktion der Sättigungstemperatur durch sinkenden hydrostatischen Druck bzw. wachsenden Blasendurchmesser. Durch die Überhitzung werden bis dahin nicht aktive Mikroblasen im Volumen aktiviert und es kommt zu einem schnellen Anstieg der Blasenanzahldichte. Dieser Effekt wird mittels einer algebraischen Funktion realisiert, welche im Bereich der Sättigungstemperatur eine konstante Blasenanzahldichte besitzt und einen exponentiellen Anstieg der Blasenanzahldichte bei Überhitzung bewirkt. Basierend auf der Modellierung einer lokalen und variablen Blasenanzahldichte wurden numerische Strömungssimulationen durchgeführt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Modellierung die genannten Mechanismen abbilden kann. Des weiteren sind die Modellparameter durch den Quervergleich mit den experimentell erfassten Daten bestimmt worden.