Ανάλυση γεωμετρικών χαρακτηριστικών φυσαλίδων στάσιμου βρασμού υπό συνθήκες μικροβαρύτητας
Creators: name: Παπαδοπούλου, Βασιλική Μιχαήλ
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Στάσιμος Βρασμός
Φυσαλίδες
Μικροβαρύτητα
Pool Boiling
Bubbles
Microgravity

description: Η ανάγκη της κατανόησης και μελέτης των φαινομένων που επηρεάζουν το σχηματισμό φυσαλίδων κατά τη διεργασία του βρασμού αποτέλεσε το κίνητρο για την παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία. Σκοπός της είναι να διερευνηθεί με χρήση κώδικα που αναπτύχθηκε από το ΑΠΘ και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας και Έρευνας Κρήτης ο τρόπος που επιδρούν οι διάφορες παράμετροι στην ανάπτυξη των φυσαλίδων στα πειράματα στάσιμου βρασμού που έλαβαν μέρος στον διεθνή διαστημικό σταθμό (ISS) κατά τη διάρκεια της καμπάνιας Reference multiscale Boiling Investigation (RUBI). Το Multiscale Boiling Project (γνωστό και ως RUBI Project) ξεκίνησε το 2005 από πολλές ερευνητικές εργαστηριακές ομάδες και στη συνέχεια αναπτύχθηκε και διαμορφώθηκε από την AIRBUS για τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (European Space Agency - ESA). To πείραμα λειτουργεί και ελέγχεται από το Βελγικό Κέντρο Υποστήριξης και Λειτουργίας Χρηστών ( B-USOC) στις Βρυξέλλες. Το πείραμα εξετάζει τον βρασμό στο πρωταρχικό του στάδιο, κυρίως μεμονωμένων φυσαλίδων σε καθαρό υγρό, αλλά επίσης στοχεύει στη μελέτη της επίδρασης εξωτερικών δυνάμεων, όπως το ηλεκτρικό πεδίο και η ροή διάτμησης (shear flow) επάνω στην εξέλιξη της φυσαλίδας και στο οριακό στρώμα κοντά στη φυσαλίδα. Για το λόγο αυτό, τα τέσσερα πεδία έρευνας ήταν ο στάσιμος βρασμός, η διατμητική ροή, το ηλεκτρικό πεδίο και ο συνδυασμός ηλεκτρικού πεδίου και διατμητικής ροής. Χρησιμοποιώντας διαφορετικές διαγνωστικές τεχνικές υπάρχει η δυνατότητα καλύτερης κατανόησης των μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας. Οι παράμετροι που ερευνήθηκαν ήταν η θερμοκρασία υπόψυξης, η θερμορροή, η πίεση, ο χρόνος αναμονής από την ενεργοποίηση της θερμαντικής επιφάνειας μέχρι την πυρηνογένεση της πρώτης φυσαλίδας βρασμού, η παροχή, το ύψος των ηλεκτροδίων από τον θερμαντήρα και η ηλεκτρική τάση. Το Multiscale Boiling Project εξετάζει μια μοναδική ή έναν μικρό αριθμό διαφορετικών μεταξύ τους φυσαλίδων υπό συνθήκες μικροβαρύτητας. Ένα σύνθετο διαγνωστικό σύστημα, με συγχρονισμένες υπέρυθρες (IR) και υψηλής ταχύτητας ασπρόμαυρες (BW) φωτογραφίες, βοήθησε στην καλύτερη κατανόηση της συνολικής διαδικασίας και συνέβαλε στη δημιουργία μιας έγκυρης βάσης δεδομένων για την επικύρωση αριθμητικών μοντέλων. Η απομάκρυνση των ατμών πάνω από τη θερμαινόμενη επιφάνεια είναι απαραίτητη και γίνεται με χρήση εκτεταμένης τεχνολογίας υπό συνθήκες μικροβαρύτητας μέσω διατμητικής ροής ή ηλεκτρικού πεδίου. Αυτές οι τεχνικές εφαρμόστηκαν για πρώτη φορά υπό τέτοιες συνθήκες. Επιπλέον, είναι δυνατή μια άμεση σύγκριση των συνθηκών βρασμού με και χωρίς αυτές τις εξωτερικές δυνάμεις. Στο πλαίσιο του πειράματος συνεργάστηκαν δεκατρείς ερευνητικές ομάδες από οκτώ διαφορετικές χώρες. Πάνω από 3000 σύνολα δεδομένων έχουν δημιουργηθεί σε μια περίοδο πειραμάτων 11 μηνών. Η ομάδα του εργαστηρίου πολυφασικής δυναμικής του Tμήματος Xημείας του ΑΠΘ ήταν μία από τις ομάδες αυτές και συνέβαλε στην ανάλυση των φωτογραφιών του πειράματος RUBI. Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας και Έρευνας Κρήτης αναπτύχθηκε ένα λογισμικό το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την διεξαγωγή πληροφοριών από την ανάλυση των φωτογραφιών φυσαλίδων βρασμού. Στην παρούσα εργασία αναλύθηκαν οι φωτογραφίες πλαϊνής όψης για ορισμένες συνθήκες στα πειράματα στατικού βρασμού (pool boiling) με τη βοήθεια του λογισμικού. Αρχικά, κρίθηκε σκόπιμη η ανάλυση δύο πειραμάτων στις ίδιες συνθήκες για να γίνει έλεγχος της επαναληψιμότητας. Στη συνέχεια, αναλύθηκαν τέσσερις σειρές πειραμάτων όπου για κάθε σειρά άλλαζε μόνο μια παράμετρος (πίεση, θερμορροή, θερμοκρασία υπόψυξης και χρόνος αναμονής), με σκοπό την μελέτη της επίδρασης της κάθε πειραματικής παραμέτρου στην ανάπτυξη φυσαλίδων βρασμού, απουσία εξωτερικών δυνάμεων. Μέσω της ανάλυσης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των φυσαλίδων με χρήση του λογισμικού λαμβάνονται σημαντικές πληροφορίες για τη συμπεριφορά και ανάπτυξη των φυσαλίδων κατά τον στατικό βρασμό.
description: The idea behind this master thesis was the need to understand and study the phenomena that affect the formation of bubbles during the boiling process. The purpose of this thesis is to investigate the way in which the various parameters affect the growth of bubbles in the pool boiling experiments that took place during the Reference mUltiscale Boiling Investigation (RUBI) campaign, on board the International Space Station, using an image processing algorithm developed by AUTH and FORTH Institute of Crete. The Multiscale Boiling Project was started in 2005 by several laboratory groups and was subsequently developed and modeled by AIRBUS for the European Space Agency - ESA. The experiment is operated and controlled by the Belgian User Support and Operation Center (B-USOC) in Brussels. The experiment examines boiling in its primary stage, mainly of individual bubbles in a pure liquid, but also aims to study the effect of external forces, such as electric field and shear flow, on the evolution of the bubble and the thermal boundary layer near the heater. For this reason, the four fields of research were pool boiling, shear flow, electric field, and the combination of electric field and shear flow. By using different diagnostic techniques, it is possible to conduct a better understanding of heat transfer mechanisms. The parameters that were investigated were the pressure, the subcooling temperature, the waiting time, the heat flux, the flow rate, the electric field intensity and the height of the electrodes.The Multiscale Boiling Project investigates one or a small number of distinct bubbles under microgravity conditions. A complex diagnostic system, with synchronized infrared (IR) and high-speed black-and-white (BW) images, is necessary to understand the overall process and contributed to the creation of a valid database for validating numerical models. The removal of vapor above the heated surface is necessary and is done using advanced technology under microgravity conditions through shear flow or electric field. These techniques were applied for first time under such conditions. Furthermore, a direct comparison of boiling conditions with and without these external forces is possible.Thirteen research groups from eight different countries collaborated in the experiment. Over 3000 datasets have been generated over 11 months period of experimentation. The multiphase dynamics group of the AUTH Chemistry Department was one of these research teams that contributed to RUBI campaign with the analysis of pool boiling bubble images. In collaboration with the FORTH Institute of Crete, a software was developed, which was used to extract information directly from the experiments bubble images.In this thesis, the side view images of the pool boiling experiments in specific conditions were analyzed with the help of a custom developed image processing software. Initially, three experiments were analyzed under the same conditions to check the repeatability. Then, four series of experiments were analyzed, changing only one parameter (pressure, heat flow, subcooling temperature and waiting time) at each of them. Through the analysis of the geometric characteristics of the bubbles with the software, important information is obtained about the behavior and development of the bubbles when pool boiling is taking place.