Numerische Simulation der periodischen Blasenbildung an einer Einströmöffnung mit dem Programm OpenFOAM

Inhaltsangabe:Einleitung: Die hohe Nachfrage nach leistungsfähigen Wärmeübertragern für die Kühlung von elektronischen Bauteilen, zur Effizienzsteigerung von Kreisprozessen für Wärmekraft- und Kälteanlagen, sowie für die chemische oder verfahrenstechnische Industrie oder der Umwelttechnik haben die Zweige der Thermodynamik sowie der Wärme- und Stoffübertragung, die sich mit Phasenwechselphänomenen beschäftigen, in den letzten Jahren deutlich angekurbelt. Bei einem Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Dampf (Verdampfen) oder von Dampf zu Flüssigkeit (Kondensation) findet man sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten vor, da das Fluid sehr viel Wärme durch seine Verdampfungsenthalpie aufnehmen kann. Verdampfungs- und Kondensationsprozesse sind deshalb viel effizienter als einphasige Prozesse. Am effizientesten sind Verdampfungsprozesse, wenn Blasensieden vorliegt. Dabei werden die höchsten Wärmeübertragungskoeffizienten beobachtet. Die vorliegende Arbeit kann sich nicht mit der gesamten Komplexität des Blasensiedens beschäftigen. Vielmehr soll hier nur der Vorgang des periodischen Blasenwachstums bis zum Abriss und das anschließende Aufsteigen in der umgebenden Flüssigkeit betrachtet werden. Dazu wird eine numerische Simulation mit dem CFD-Berechnungsprogramm OpenFOAM Version 1.4.1 erstellt. Die zentrale Vereinfachung, die das Gesamtproblem in ein geeignetes Modell überführt, ist das Tatsache, dass der Verdampfungsprozess selbst nicht mitsimuliert wird. Vielmehr wird die Verdampfung dadurch modelliert, dass ein Gas von unten durch eine Blendenöffnung in das mit Flüssigkeit gefüllte Rechengebiet einströmt. In diesem Fall muss auch die Energiegleichung nicht gelöst werden, da die Temperatur keine Rolle spielt. Für einen solchen Anwendungsfall mit zwei inkompressiblen Phasen steht in OpenFOAM der Löser interFoam zur Verfügung. In einem sehr viel komplexeren Modell [6] wurde bereits das periodische Anwachsen und Abreißen einer Einzelblase an einer Heizwand erfolgreich simuliert. Dabei wurde jedoch ein randangepasstes numerische Gitter verwendet. Dabei fällt die Grenzfläche immer mit Elementseiten zusammen. Bei einer solchen Vorgehensweise können allerdings Topologieänderungen (z.B. durch Koaleszenz zweier Blasen) nicht realisiert werden. Um solche Vorgänge berücksichtigen zu können, kann ein raumfestes Gitter eingesetzt werden. Zur Verfolgung der Grenzfläche wird dann ein zusätzliches Verfahren benötigt. In OpenFOAM ist zu diesem Zweck die [...]