Date of Award

4-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Dr. Fadi Alnaimat

Second Advisor

Dr. Bobby Mathew

Abstract

The aim of this work is to study the vapor bubble condensation process and the enhancement technique via affecting bubbles dynamic using a mesh-based structure. The bubble dynamics and thermal behavior are studied by considering the heat and mass transfer through the bubble’s interface area between the vapor and liquid regions and the resulting condensation effects. The thermal characteristics of bubbles are observed considering the initial and final liquid temperatures. Additionally, the bubble dynamics are studied in terms of several parameters including the relative velocity of the bubble, bubble deformation, interfacial area, and the bubble diameters. The relation between the thermal and dynamic parameters of bubble condensation is analyzed under different operating conditions. A Semi-Empirical simulation is developed to analyze the heat transfer and condensation of a spherical rising bubble. The model includes bubble shrinkage during condensation, and can be used to analyze the total energy loss of the bubble, raising velocity and bubble condensation rate of a single bubble compared to multiple bubbles with the same total thermal energy. A MATLAB code is developed in order to calculate the instantaneous velocity, the radius, and the mass loss of the vapor bubble in each time step. Moreover, the fundamental behavior for a single bubble and multiple bubbles was investigated in various initial conditions under the same total thermal energy. The effects of the initial bubble radius and the temperature difference between the liquid and vapor phases were analyzed for both scenarios in order to examine the condensation rate. To overcome the complexity of the interface between the multi-phases in the flow field, a computational fluid dynamics (CFD) simulation is carried out and adapted using interface capturing methods (Volume of Fluid) with durable time-stepping schemes in ANSYS FLUENT. This study proposes to enhance the bubble condensation by designing a mesh-based structure to be placed in the flow direction so the bubbles will enter the domain through many small holes of the mesh structure, which will force bubble deformation and redirect the bubbles through the liquid domain. The mesh-based structure enhancement method is based on breaking the bubbles into several smaller bubbles realizing a very high surface contact area between the bubble and the liquid. This design arrangement showed an improvement in the condensation and heat transfer. Furthermore, the obtained results from the semi-empirical model of bubbles condensation are examined and compared with experimental data from previous investigations in the literature.

Arabic Abstract

الهدف من هذا العمل هو دراسة عملية تكثيف فقاعات البخار وتقنية التعزيز من خلال التأثير على ديناميكية الفقاعات باستخدام بنية شبكية. تمت دراسة ديناميكية الفقاعة والسلوك الحراري من خلال النظر في شكل الفقاعة وتطورها أثناء صعودها في منطقة مملوءة بسائل، وتأثير التكثيف عليها. بالإضافة إلى ذلك، تم ملاحظة الخصائص الحرارية للفقاعات مع الأخذ في الاعتبار درجات حرارة السائل الأولية والنهائية.

تمت دراسة ديناميكية الفقاعة من حيث العديد من المعايير بما في ذلك سرعة الفقاعة، قطر الفقاعة، وارتفاعها، ومنطقة السطح، وعدد رينولدز. كما تم تحليل التأثيرات الحرارية والديناميكية لتكثيف الفقاعات في ظروف مختلفة.

تم تطوير محاكاة شبه تجريبية لتحليل انتقال الحرارة وتكثيف فقاعة كروية صاعدة. يشمل النموذج انكماش الفقاعة أثناء التكثيف، ويمكن استخدامه لتحليل إجمالي الطاقة للفقاعة، وزيادة السرعة أثناء التكثيف، ومقارنة النتائج مع دراسات متعددة.

تم تطوير برنامج باستخدام MATLAB لتحليل السرعة اللحظية، وقطر وكتلة الفقاعة، ومعدل تغيرها في كل خطوة زمنية. بالإضافة إلى ذلك، تم فحص السلوك الأساسي للفقاعة الواحدة، وكذلك الفقاعات المتعددة.

تم تحليل الأداء الكلي باستخدام فرق درجات الحرارة بين مرحلتي السائل والبخار، مع الأخذ في الاعتبار معامل انتقال الحرارة، من أجل فحص معدل التكثيف.

للتغلب على التعقيد بين المراحل المتعددة في مجال التدفق، تم إجراء محاكاة ديناميكا الموائع الحاسوبية (CFD) باستخدام برنامج ANSYS FLUENT، مع استخدام طريقة حجم السائل (VOF) لتتبع واجهة السائل–البخار.

ركزت الدراسة على تعزيز تكثيف الفقاعات باستخدام هيكل شبكي، حيث يؤدي إدخال الفقاعات إلى تكوين العديد من الثقوب الصغيرة في البنية الشبكية، مما يسبب تشوه الفقاعات وإعادة توجيه مسارها. كما تزداد مساحة التلامس بين الفقاعة والسائل نتيجة لوجود شبكة ذات مساحة سطحية عالية، مما يعزز انتقال الحرارة ويحسن عملية التكثيف.

علاوة على ذلك، تم فحص النتائج التي تم الحصول عليها عملياً لتكثيف الفقاعات ومقارنتها مع البيانات التجريبية في الدراسات السابقة.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: فقاعات التكثيف، تعزيز تكثيف، ديناميكا الفقاعة، معدل انهيار الفقاعة، CFD.

Download
COinS