Experiments are conducted to study bubble flow behavior during the instability of subcooled boiling under uniform and non-uniform transverse heating. The non-uniform heat distribution introduces nonuniform bubble generation and condensation rates on the heated surface, which is different from the uniform heating. These bubble generation and condensation characteristics introduce a non-uniform local pressure distribution in the transverse direction, which creates an extra non-uniform pressure on the flowing bubbles. Therefore, different bubble flow behavior can be observed between uniform and non-uniform heating conditions. In the uniform heating, bubble velocity fluctuations are low, and the bubbles travel straight along the axial direction. In the non-uniform heating, more fluctuation in the bubble velocity occurs at low mass flow rate and high subcooled inlet temperatures, and reverse flow is observed. Additionally, the bubbles show a zigzag trajectory when they pass through the channel, which indicates the existence of cross flow in the transverse direction.
This paper presents a numerical study on tip vortex cavitation inception predictions based on non-spherical bubble dynamics including splitting and jet noise emission. A brief summary of the numerical method and its validation against a laboratory experiment are presented. The behavior of bubble nuclei is studied in a tip vortex flow field at two Reynolds numbers, provided by a viscous flow solver. The bubble behavior is simulated by an axisymmetric potential flow solver with the effect of surrounding viscous flow taken into account using one way coupling. The effects of bubble nucleus size and Reynolds number are studied. An effort to model the bubble splitting at lower cavitation numbers is also described.
Nucleate pool boiling experiments for R11 under a constant wall temperature condition were carried out. A microscale heater array was used for the heating and the measurement of high temporal and spatial resolution by the Wheatstone bridge circuit. Very sensitive heat flow rate data were obtained by the control for the surface condition with high time resolution. The measured heat flow rate shows a discernable peak at the initial growth stage and reaches an almost constant value. In the thermal growth region, bubble shows a growth proportional to $t^{\frac{1}{5}}$. The bubble growth behavior is analyzed with a dimensionless parameter to compare with the previous results in the same scale. As the wall superheat increases, the departure diameter and the departure time increase, and the waiting time decreases. But the asymptotic growth rate is not affected by the wall superheat change. The effect of the wall superheat is resolved into the suggested growth equation. Dimensionless parameters of time and bubble radius characterize the thermal growth behavior well, irrespective of wall condition. The comparison between the result of this study and the previous results shows a good agreement at the thermal growth region. The quantitative analysis for the heat transfer mechanism is conducted with the measured heat flow rate behavior and the bubble growth behavior. The required heat flow rate for the volume change of the observed bubble is about twice as much as the instantaneous heat flow rate supplied from the wall.
Basit, Muhammad Abdul;Tian, Wenxi;Chen, Ronghua;Basit, Romana;Qiu, Suizheng;Su, Guanghui
Nuclear Engineering and Technology
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제53권6호
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pp.1810-1820
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2021
Study of single bubble behavior under rolling motions can prove useful for fundamental understanding of flow field inside the modern small modular nuclear reactors. The objective of the present study is to simulate the influence of rolling conditions on single rising bubble in a liquid using multiphase Moving Particle Semi-implicit (MPS) method. Rolling force term was added to 2D Navier-Stokes equations and a computer program was written using C language employing OpenACC to port the code to GPU. Computational results obtained were found to be in good agreement with the results available in literature. The impact of rolling parameters on trajectory and velocity of the rising bubble has been studied. It has been found that bubble rise velocity increases with rolling amplitude due to modification of flow field around the bubble. It has also been concluded that the oscillations of free surface, caused by rolling, influence the bubble trajectory. Furthermore, it has been discovered that smaller vessel width reduces the impact of rolling motions on the rising bubble. The effect of liquid viscosity on bubble rising under rolling was also investigated and it was found that effects of rolling became more pronounced with the increase of liquid viscosity.
Nucleate pool boiling experiments with constant wall temperature were performed using pure R1l3 for subcooled, saturated, and superheated pool conditions. A microscale heater array and Wheatstone bridge circuits were used to maintain the constant wall temperature and to measure the instantaneous heat flow rate accurately with high temporal and spatial resolutions. Images of bubble growth were taken at 5,000 frames per second using a high-speed CCD camera synchronized with the heat flow rate measurements. The bubble geometry was obtained from the captured bubble images. The effect of the pool conditions on the bubble growth behavior was analyzed using dimensionless parameters for the initial and thermal growth regions. The effect of the pool conditions on the heat flow rate behavior was also examined. This study will provide good experimental data with precise constant wall temperature boundary condition for such works.
A theoretical model is proposed in order to investigate rheological behavior of bubble suspension with large deformation. Theoretical constitutive equations for dilute bubble suspensions are derived by applying a deformation theory of ellipsoidal droplet [1] to a phenomenological suspension theory [2]. The rate of deformation tensor within the bubble and the time evolution of interface tensor are predicted by applying the proposed constitutive equations, which have two free fitting parameters. The transient and steady rheological properties of dilute bubble suspensions are studied for several capillary numbers (Ca) under simple shear flow and uniaxial elongational flow fields. The retraction force of the bubble caused by the interfacial tension increases as bubbles undergo deformation. The transient and steady relative viscosity decreases as Ca increases. The normal stress difference (NSD) under the simple shear has the largest value when Ca is around 1 and the ratio Of the first NSD to the second NSD has the value of 3/4 for large Ca but 2 for small Ca. In the uniaxial elongational flow, the elongational viscosity is three times as large as the shear viscosity like the Newtonian fluid.
In the present study, the gas injection system based on air-water model was designed to investigate the behavior characteristics of bubbles injected into a ladle. The parameters such as gas volume fraction and bubble rise velocity were exprementally measured in a gas-liquid flow region. To measure gas volume fraction, an electo-conductivity probe was used and bubble rise velocity was obtained by a high speed CCD camera. Gas volume fraction was symmetric to the axis of nozzle secured on the bottom of a ladle. The bubble rise velocity was calculated for two different experimental conditions. That is, gas flow conditions were following two case: 1) Q = $0.63{\times}10^{-4}$$m^{3}/s$, 2) $1.26{\times}10^{-4}$$m^{3}/s$. As a gas injected into the liquid ladle, the liquid-phase region is circulated by bubbles' behavior. The bubble rise velocity was influenced of the circulation flow of liquid phase. As a result, the bubble rise velocity was appeared higher middle region of ladle than near the nozzle.
In the present study, a PIV measurement and image processing technique were applied in order to investigate the flow characteristics in the gas injected liquid bath. The circulation of liquid was induced by upward bubble flow. Due to the centrifugal force, the flow was well developed near both wall sides than in the center of a bath. The vortex flow irregularly repeated generation and disappearance which helped to accelerate the mixing process. The bubble rise velocity in the bottom region was relatively lower than in the upper region because the energy generated by bubbles' behavior in the region near the nozzle was almost converted into kinetic energy But bubble rise velocity increases with the increase of the axial distance since kinetic energy of rising bubbles is added to buoyancy force. In conclusion, the flow increased bubble rise velocity and the flow of the bottom region became more active.
Dynamic behavior of immiscible gas bubble attached to the wall in channel flow plays very important role in many engineering applications. Special attention has been paid to micro direct methanol fuel cell(${\mu}$DMFC) where surface tension becomes dominant factor with minor gravitational effect due to its reduced size. Therefore, displacement of $CO_2$ bubble generating on a cathode side in ${\mu}$DMFC can be very difficult and efficient removal of $CO_2$ bubbles will affect the overall machine performance considerably. We have focused our efforts on studying the dynamic behavior of immiscible bubble attached to the one side of the wall on 2D rectangular channel subject to external shear flow. We used Level Contour Reconstruction Method(LCRM) which is the simplified version of front tracking method to track the bubble interface motion. Effects of Reynolds number, Weber number, advancing/receding contact angle and property ratio on bubble detachment characteristic has been numerically identified.
To understand EHD nucleate boiling heat transfer enhancement, EHD effects on R-113 nucleate boiling heat transfer in a non-uniform electric field were investigated. The pool boiling heat transfer and the dynamic behavior of bubbles in d.c./a.c. electric fields under a saturated or subcooled boiling were studied by using a plate-wire electrode and a high speed camera. From the pool boiling heat transfer study, the shift of the pool boiling curve, the increase of the heat transfer and the delay of ONB and CHF points to higher heat fluxes were observed. From the dynamic behavior of bubbles, it was observed that bubbles departed away from the whole surface of the heated wire in radial direction due to EHD effects by a nonuniform electric field. With increasing applied voltages, the bubble size decreased and the active nucleation site and the departure number of bubbles showed the different trend. The present study indicates that the EHD nucleate boiling heat transfer is closely connection with the dynamic behavior of bubbles and the secondary flow induced near the heated surface. Therefore, the basic studies on the bubble behavior such as bubble frequency, bubble diameter, bubble velocity and flow characteristics are necessary for complete understanding of the enhancement mechanism of the boiling heat transfer using an electric field.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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