Original title:
EFFECT OF FLOW PARAMETERS OF WATER AND AIR ATOMIZED SPRAYS ON COOLING INTENSITY OF HOT SURFACES
Translated title:
EFFECT OF FLOW PARAMETERS OF WATER AND AIR ATOMIZED SPRAYS ON COOLING INTENSITY OF HOT SURFACES
Authors:
Boháček, Jan ; Střasák,, Pavel (referee) ; Rudolf, Pavel (referee) ; Horský, Jaroslav (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2011
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[eng][cze]
Práce komplexně popisuje vodní a vodovzdušné chlazení pomocí metod CFD (Computational Fluid Dynamics) konkrétně s využitím software ANSYS FLUENT. Skládá se ze dvou hlavních částí, z nichž první se zabývá numerickým popisem jediné vodní kapky a druhá popisem směsí kapek představující paprsek válcové a ploché trysky. Je založena převážně na vícefázových modelech proudění a vlastních uživatelsky definovaných funkcí (User Defined Functions, UDF) představujících stěžejní část práce. Uvedené výpočtové modely jsou ve většině případů verifikovány pomocí experimentálních dat nebo jiných numerických modelů. V první části práce jsou teoreticky postupně rozebrány všechny tři použité vícefázové modely proudění. První z nich, Volume Of Fluid model (VOF), byl použit pro modelování jediné kapky (mikromodel). Zatímco zbývající dva, Euler-Euler model a Euler-Lagrange model, byly aplikovány v modelu celého paprsku trysky (makromodel). Mikromodel popisuje dynamiku volného pádu vodní kapky. Pro malé průměry kapek (~100µm) standardní model povrchového napětí (Continuum Surface Force, CSF) způsoboval tzv. parazitní proudy. Z toho důvodu je v práci rozebrána problematika výpočtu normál, křivostí volných povrchů a povrchového napětí jako zdroje objemových sil v pohybových rovnicích. Makromodel se zabývá studiem dynamiky celého paprsku tj. oblastí od ústí trysky po dopad na horký povrch, bere v úvahu kompletní geometrii, tzn. např. podpůrné válečky, bramu, spodní část krystalizátoru apod. V práci je rozebrána 2D simulace dopadu paprsku válcové trysky pomocí VOF modelu Euler-Lagrange modelu na horký povrch. Pro případ s VOF modelem byl navržen model blánového varu. Euler-Euler model a Euler-Lagrange model byly využity pro simulaci paprsku ploché trysky horizontálně ostřikující horkou bramu přímo pod krystalizátorem nad první řadou válečků. Pro Euler-Euler model byl navržen model sekundárního rozpadu paprsku založený na teorii nejstabilnější vlnové délky (Blob jet model). Jelikož diskrétní Lagrangeovy částice tvořily v určitých místech spíše kontinuální fázi, byl navržen a otestován model pro konverzi těchto částic do VOF.
The present thesis is focused on an overall description of water jets and air atomized jets for cooling purposes using CFD methods namely ANSYS FLUENT. It comprises two main parts – the micro and the macro model. The micro model concerns with a numerical description of single droplet dynamics whereas the macro model deals with a numerical modeling of water jets as complicated droplet structures emanating from solid stream nozzle and flat fan nozzle. By and large, it is based on multiphase models and User Defined Functions (UDFs), which represents the background of the present thesis. In most of cases, the presented numerical models were compared either with experimental data or another numerical model. In the first part, the theory of each of three multiphase models is discussed. The first one, the Volume Of Fluid model (VOF), was used for simulation of single droplet dynamics designated as a micro model whilst last two multiphase models, the Euler-Euler model and the Euler-Lagrange model, were applied in the case of modeling of the entire water jet structure, which is contrarily designated as a macro model. The micro model concerns with a numerical study of free-falling water droplet. For small droplet diameters (~100µm) the standard surface tension model (Continuum Surface Force model, CSF) was proved to cause significant unphysical parasitic currents. Therefore, the thesis is also devoted to surface tension as a source term of body forces imposed in momentum equation, normal, curvature calculation and related issues. The macro model covers a numerical study of dynamics of the entire water jet structure i.e. the space between the nozzle exit and the wall where the jet impinges. It accounts for the complete geometry, for instance, support rolls, a slab and a mold bottom of a continuous caster. Firstly, the physics of a solid jet impact onto a hot plate was simulated using both, the VOF and the Euler-Lagrange model. As regards the case with the VOF model, a model for film boiling was designed and tested. Finally, both, the Euler-Euler model and the Euler-Lagrange model, were used for simulation of a flat jet horizontally spraying onto a hot slab inside a confined domain bounded by support rolls and a mold bottom. Concerning the simulation with the Euler-Euler model, a secondary breakup model was introduced based on the wave stability atomization theory. Concerning the Euler-Lagrange simulation, the dispersed phase (Lagrange particles) formed rather a continuous phase in some places, and therefore the coupling between Lagrange particles and the VOF model via UDFs was proposed.
Keywords:
atomizace sprejů; blánový var; chladicí tryska; CSF; Fluent; kapka; křivost; Lagrangeovy částice; normála k volné hladině; parní vrstva; plochý paprsek; povrchové napětí; uživatelsky definovaná funkce; válcový paprsek; výpočtové modelování proudění; CFD; Continuum Surface Force; cooling nozzles; curvature; Droplet; film boiling; flat jet; Fluent; HTC; interface normal; jet atomization; Lagrange particles; solid jet; surface tension model; UDF; user defined function; vapor layer; Volume of Fluid model
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/781
guest ::
