Analysis on the bubble dynamics and induced liquid flow in a subcooled nucleate pool boiling

Abstract

본 연구에서는 과냉 조건의 풀비등현상에서 발생하는 증기 기포의 거동과 그에 따른 주변 액체의 유동장을 실험적으로 분석하였다. 기포의 시간에 따른 변화 (성장, 분리, 상승, 그리고 소멸)는 과냉 온도에 따라 다른 특징을 보인다. 과냉 조건을 변수로 하여, 기포 구조의 변화와 주위에 유도되는 액체의 유동장을 초고속카메라를 이용한 이상-입자유동영상계를 활용하여 동시에 측정하였다. 과냉 온도가 커질수록, 기포가 열판에서 분리될 때의 크기가 기하급수적으로 작아지며, 분리되는 순간까지 걸리는 시간 또한 유사한 경향성을 보인다. 과냉 온도가 비교적 낮은 조건에서는 기포가 성장하여 분리되기 직전까지 지속적으로 성장하는 반면, 과냉 온도가 비교적 큰 환경에서는 가열면에서 분리되기 전부터 기포가 응축 열전달로 인하여 크기가 줄어들기 시작한다. 본 연구에서는 기포 성장에 영향을 미치는 열전달 메커니즘들을 기반으로, 과냉 조건에서의 풀비등 기포 성장 모델을 개발하였다. 과냉 온도가 낮은 조건에서 성장하여 분리된 기포 (2.5-3.1mm)는 수직으로 상승하며 천천히 응축하고, 유체 관성력의 지배적인 영향으로 인해 표면 구조의 변형이 강하게 발생한다. 이러한 표면 구조의 변형이 반복적으로 나타나며, 기포의 상승 속도와 종횡비가 등락을 거듭한다. 반면, 과냉 온도가 높은 조건에서는 기포 (1.5-2.2mm)가 벽면에서 분리된 이후에 매우 빠르게 응축하여 소멸한다. 이때, 기포는 분리 이후에 지속적으로 가속되며, 완전히 응축하여 소멸하기 직전에 표면 구조가 가장 납작해지는 경향을 보인다. 상승하는 기포 주위로 발달하는 와류 구조 또한 과냉 온도가 낮은 조건에서 더 강하게 발달하며, 가열면으로부터 더 멀리 전달됨을 발견하였다.

In the present study, we experimentally analyze the evolution of vapor bubble dynamics and subsequent bubble-induced flow, produced in a subcooled nucleate pool boiling condition. The development of vapor bubble (growth, departure, rise and collapse) is highly dependent on the subcooled temperature. Varying the subcooled condition, the temporal variation of bubble structure and corresponding flow field of surrounding liquid are measured simultaneously using the high-speed two-phase particle image velocimetry. With growing subcooled temperature, bubble departure diameter and bubble growth time tend to exponentially decrease. In a less subcooled condition, the bubble continuously grows until departure, while the bubble begins to shrink (condensate) before departing from the wall, in a highly subcooled condition. Based on the heat transfer mechanisms influencing the bubble growth, we develop the bubble growth model available in the subcooled pool boiling condition. The departing bubble in a less subcooled condition (2.5-3.1mm in size) vertically rises with a significant shape deformation influenced by the governing effect of liquid inertial force, and shrinks slowly (low condensation rate). In a highly subcooled condition, however, the smaller bubble (1.5-2.2mm) is detached from the wall, and rapidly dissipates by means of high condensation rate. The rising velocity and aspect ratio of the bubble in the less subcooled condition fluctuate following the deformation of bubble structure. The departing bubble in a highly subcooled liquid is gradually accelerated and flattened until the complete dissipation. Counter-rotating vortical structure induced around a rising bubble is produced stronger in a less subcooled liquid, and convected further from the wall than the cases of the highly subcooled liquid.