Flow boiling in a vertical millimetric tube for upward, downward and microgravity conditions.

Abstract : 

The goal of this work was to investigate the effect of gravity, wall heat flux and inlet conditions on several flow boiling quantities using both experimental and modelling approaches. Experimental measurements were carried out using two separate flow facilities (BRASIL and COSMO). Both facilities consisted of a vertical 6 mm sapphire tube coated externally with indium-tin-oxide (ITO) for Joule heating. The working fluid used for the experimental campaigns was HFE-7000. Upward (+1𝑔), downward (−1𝑔) and microgravity (𝜇𝑔) flow boiling experiments were carried out over mass flux, heat flux and vapor quality ranges of 50 ≤ 𝐺 ≤ 400 𝑘𝑔⁄𝑚². 𝑠 , 0 ≤ 𝑞 ≤ 3 𝑊⁄𝑐𝑚² and 0 ≤ 𝑥 ≤ 0.7 respectively.

Bubbly, slug, churn, falling film (downward flow) annular flow patterns were observed for +1𝑔, 𝜇𝑔 and −1𝑔 flows. Mean bubble diameter was highest and bubble eccentricity lowest in 𝜇𝑔 relative to +1𝑔 and −1𝑔 due to the absence of buoyancy forces in 𝜇𝑔. Measured void fraction was influenced by mass flux and was highest in downward flow and lowest in upward flow. The wall shear stress, interfacial shear stress and heat transfer coefficient generally increased with the wall mass flux, heat flux, and vapor quality. Wall shear stress and heat transfer coefficient were found to be higher in −1𝑔 relative to +1𝑔 flow. The heat transfer coefficient was generally higher in +1𝑔 relative to 𝜇𝑔. Interfacial shear stress was found to be smaller in downward flow relative to upward flow due to lower vapor-liquid relative velocity in the former. Mean wave velocity and mean wave frequency showed significant dependence on the applied heat flux and flow orientation relative to gravity.

Semi-empirical and mechanistic models for predicting mean wave velocity, mean wave frequency, wall shear stress, interfacial friction factor and heat transfer coefficient were developed in this work and provided a good estimation of the experimental data within ±20%. Furthermore, theoretical prediction of heat transfer coefficient for annular flow boiling were derived from eddy viscosity and diffusivity modelling providing a good estimation of both the heat transfer coefficient and liquid film thickness within ±15% and ±20% respectively.

Résumé 

Cette thèse s’intéresse aux effets de la gravité et du flux de chaleur pariétal sur l’ébullition convective de manière expérimentale et théorique. Les campagnes de mesures ont été réalisées sur deux montages expérimentaux (BRASIL et COSMO). Dans ces deux montages, la section d’essai est un tube vertical de saphir (de 6mm de diamètre intérieur) dans lequel circule du HFE-7000. Le tube est recouvert d’un dépôt d’ITO qui permet une chauffe par effet Joule. Des expériences en écoulement ascendant (+1g), descendant (-1g) et en microgravité (µg) ont été réalisées pour des gammes de flux de masse, de flux de chaleur pariétaux et de titres thermodynamiques respectivement de 50 ≤ 𝐺 ≤ 400 𝑘𝑔⁄𝑚². 𝑠 , 0 ≤ 𝑞 ≤ 3 𝑊⁄𝑐𝑚² and 0 ≤ 𝑥 ≤ 0.7. 

Les régimes d’écoulement à bulles, poches-bouchons de type churn, en film tombant (pour un écoulement descendant) et annulaire ont été observés. Le diamètre moyen des bulles est plus grand avec des excentricités plus faibles pour les conditions de microgravité comparées aux écoulements ascendant et descendant, ce qui s’explique par l’absence de force de flottabilité en microgravité et du glissement des bulles. La fraction de taux de vide est influencée par le flux de masse et est plus importante pour les écoulements descendants que pour les ascendants. Les frottements pariétal et interfacial et le coefficient de transfert de chaleur augmentent le plus souvent avec le flux de masse, le flux de chaleur et le titre thermodynamique. Le frottement pariétal et le coefficient d’échange de chaleur sont plus élevés pour les écoulements descendants que pour les ascendants. Le coefficient de transfert de chaleur est le plus souvent plus important en écoulement ascendant qu’en microgravité. Le frottement interfacial est plus faible pour les écoulements descendants qu’ascendants ce qui s’explique par une plus faible vitesse relative entre phases dans le cas descendant. Les vitesses et fréquences moyennes des ondes dépendent significativement du flux de chaleur pariétal et de la gravité.

Des modèles mécanistiques et semi-empiriques pour prédire les vitesses et fréquences moyenne des ondes, les frottements pariétal et interfacial et le coefficient d’échange de chaleur ont été développés avec un bon accord avec les résultats expérimentaux (±20%). De plus, une prédiction théorique, basée sur des modèles de viscosité et diffusivité turbulentes, permet de prédire le coefficient de transfert de chaleur et l’épaisseur de film liquide pour les écoulements annulaires avec des erreurs de ±15% et ±20% respectivement.