This thesis investigates pool boiling heat transfer from bare and graphene-coated NiCr wires in a saturated liquid of FC 770, a fluorocarbon fluid. Of particular interest was the effect of graphene-oxide platelets, dip-coated onto the heater surface, in enhancing the nucleate boiling heat transfer (BHT) rates and the critical heat flux (CHF) value. In the course of the pool boiling experiment, the primary focus was on the reduction mechanism of graphene oxide. The transition from hydrophilic to hydrophobic behavior of the graphene oxide-coated surface was captured, and the attendant effects on surface wettability, porosity and thermal activity were observed. A parametric sensitivity analysis of these surface factors was performed to understand the CHF and BHT enhancement mechanisms. In the presence of graphene-oxide coating, the data indicated an increase of 50% in CHF. As the experiment continued, a partial reduction of graphene oxide occurred, accompanied by (a) further enhancement in the CHF to 77% larger compared to the bare wire. It was shown that the reduction of graphene oxide progressively altered the porosity and thermal conductivity of the coating layer without changing the wettability of FC 770. Further enhancement in CHF was explained in terms of improved porosity and thermal activity that resulted from the partial reduction of graphene-oxide. An implication of these results is that a graphene-oxide coating is potentially a viable option for thermal management of high-power electronics by immersion cooling technology. / Master of Science

The search for mineral deposits is a time consuming, risky and very expensive process. Applying new models and methods provides a competitive advantage in the search for mineral deposits because an explorationist can quickly evaluate potential targets and eliminate areas without good potential for mineralization. This dissertation presents a practical technique for prediction to finding precious metal mineralization at Guanajauato mining district (GMD) base on theoretical and experimental studies of fluids properties, mineral phase equilibrium, physical and chemical mechanisms. Making the technique highly transportable so that it can be applied in the field during an exploration program base on petrographic characteristics of mineral textures produced during boiling events in quartz, calcite and adularia, and fluid inclusions contained in these phases. While this work was conducted in GMD, the results should be applicable in exploration for epithermal deposits worldwide. The GMD is one of the largest silver producing districts in the world. Ore shoots are localized along three major northwest trending vein systems, the La Luz, Veta Madre and Vetas de la Sierra. More than 1200 samples were collected from surface outcrops, underground mine and historical and recent drill core. Traverses perpendicular to veins in all system were also conducted. Most of the samples (approximately 90%) were also assayed for Au, Ag, Cu, Pb, Zn, As, Sb. Samples from the GMD show a wide range in silica textures are indicative of rapid precipitation, such as occurs when fluids boil. Other mineral phases, including illite, rhombic adularia and bladed calcite are also indicative of rapid growth in a hydrothermal system and are characteristic of boiling systems. Because boiling is an effective mechanism for precipitating gold and silver from hydrothermal fluids, the presence of mineral textures indicative of boiling is a desirable feature in exploration. In many samples, textural evidence for boiling is supported by coexisting liquid-rich and vapor-rich fluid inclusions, or Fluid Inclusion Assemblages consisting of only vapor-rich inclusions, suggesting "flashing" of the hydrothermal fluids. Textural and fluid inclusion evidence for boiling has been observed in the deepest levels of the GMD, suggesting that additional precious metal resources may occur beneath these levels. / Ph. D.

[EN] The present PhD thesis aims at the development of a one-dimensional solver capable of solving single- and two-phase flow fluid systems. The novelty of this project lies in the use of an open source CFD platform, called OpenFOAM, as a development framework for the new tool. For the new solver development, the conservation equations based on Navier- Stokes (three-dimensional system) have been analyzed and reduced to one dimension. For the two-phase simulations, the Two Fluid Model method was used as base. In addition, a series of empirical models have been selected as closing equations of the system. The final solver includes a series of requirements that reinforce their capabilities. Among them, the use of a second mesh that represents the solid and takes into account the heat transmitted to the fluid by conduction through a solid, stands out. On the other hand, the possible transfer of mass between phases in twophase fluids has been taken into account. Similarly, a subcooled boiling model has been implemented which takes into account the possible generation of vapor near the wall while the bulk is kept below saturation temperature. Finally, this paper presents the verification and validation of the solver. The verification has been carried out mainly with the system code TRACE, whose validation has been demonstrated in numerous works and its use is very extended in the scientific community. For the validation, we have the results of two experimental cases that allow us to demonstrate the physical validity of the new application developed. The use of this platform allows for a much more direct coupling between one- and three-dimensional domains, obtaining a better optimization of the calculation. / [ES] El presente trabajo de doctorado tiene por objetivo el desarrollo de un solver unidimensional capaz de resolver sistemas de fluidos monofásicos y bifásicos. La novedad de este proyecto reside en el uso de una plataforma CFD de código abierto, llamada OpenFOAM, como marco para el desarrollo de la nueva herramienta. Para el desarrollo del nuevo solver, se han analizado las ecuaciones de conservación basadas en Navier-Stokes (tridimensionales) y se han reducido a una dimensión. Para la parte bifásica del solver, se utiliza el método Two Fluid Model. Además, se han incluido todos los modelos empíricos necesarios como ecuaciones de cierre del sistema. El solver final incluye una serie de requerimientos que refuerzan sus capacidades. Entre ellas, destacan, por un lado, el uso de una segunda malla que represente el sólido y tenga en cuenta el calor transmitido al fluido por conducción a través de un sólido. Por otro lado, se ha tenido en cuenta la posible transferencia de masa entre fases en fluidos bifásicos. Igualmente, se ha implementado un modelo de ebullición subenfriada que tiene en cuenta la posible generación de vapor cerca de la pared mientras el centro del fluido se mantiene por debajo de la temperatura de saturación. Finalmente, este trabajo presenta la verificación y validación del solver. La verificación se ha realizado principalmente con el código de sistema TRACE. Para la validación, se cuenta con los resultados de dos casos experimentales que permiten demostrar la validez física de la nueva aplicación desarrollada. La implementación del nuevo solver en esta plataforma abierta permite un futuro acoplamiento mucho más directo entre mallas unidimensionales y tridimensionales, obteniendo una mayor optimización del cálculo. / [CA] El present treball de doctorat té per objectiu el desenvolupament d'un nou solver unidimensional capaç de solucionar sistemes amb fluids monofàsics i bifàsics. La novetat d'aquest projecte resideix en l'ús d'una plataforma CFD de codi obert, anomenada OpenFOAM com a marc de desenvolupament de la nova eina. Per al desenvolupament del nou solver, s'han analitzat les equacions de conservació basades en Navier-Stokes (tridimensionals) i s'han reduït a una dimensió. Per a la part bifàsica del solver s'utilitza el mètode Two Fluid Model. A més, s'han inclòs tots els models empírics necessaris com a equacions de tancament del sistema. El solver final inclou una sèrie de requeriments que reforcen les seues capacitats. Entre elles, destaquen, d'una banda, l'ús d'una segona malla que represente el sòlid i es tinga en compte la calor transmesa al fluid per conducció a través d'un sòlid. D'altra banda, s'ha tingut en compte la possible transferència de massa entre fases en fluids bifàsics. Igualment, s'ha implementat un model d'ebullició subrefredada que té en compte la possible generació de vapor prop de la paret mentre el centre del fluid es manté per davall de la temperatura de saturació. Finalment, aquest treball presenta la verificació i validació del solver. La verificació s'ha realitzat principalment amb el codi de sistema TRACE, la validació del qual s'ha demostrat en nombrosos treballs i el seu ús està molt estés en la comunitat científica. Per a la validació, es compta amb els resultats de dos casos experimentals que permeten demostrar la validesa física de la nova aplicació desenvolupada. L'ús d'esta plataforma permiteix un futur acoblament més directe, entre elements unidimensionals i tridimensionals, obtenint una major optimització del càlcul. / Gómez-Zarzuela Quel, C. (2020). Development and assessment of a one-dimensional CFD solver for boiling flows in bubbly regimes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/148368

No / Modelling played an important role in simulation, optimisation, and control of multi-stage flash (MSF) desalination processes. Top brine temperature (TBT) is one of the many important parameters that affect optimal design and operation of MSF processes. Within the MSF process model, calculation of TBT is therefore important. For a given pressure, TBT is a function of boiling point temperature (BPT) at zero salinity and temperature elevation (TE) due to salinity. In this work, we develop several neural network (NN) based correlations for predicting TE. It is found that the NN based correlations can predict the experimental TE very closely. Also predictions by the NN based correlations were good when TE values, obtained using existing correlations from the literature are compared. Due to advancement of the microcomputer, plant automation becomes reliable means of plant maintenance. NN based correlations (models) can be updated in terms of new sets of weights and biases for the same architecture or for a new architecture reliably with new plant data.

<p>This thesis deals with the engineering of novel nanomaterials, particularly nanocomposites and nanostructured surfaces with enhanced functionalities. The study includes two parts; in the first part, an in situ sol-gel polymerization approach is used for the synthesis of polymer-inorganic hybrid material and its exceptional transparent UV-shielding effect has been investigated. In the second part, electrodeposition process has been adapted to engineer surfaces and the boiling performance of the fabricated nanostructured surfaces is evaluated.</p><p>In the first part of the work, polymer-inorganic hybrid materials composed of poly(methylmethacrylate) (PMMA) and zinc compounds were prepared by in situ sol-gel transition polymerization of zinc complex in PMMA matrix. The immiscibility of heterophase of solid organic and inorganic constituents was significantly resolved by an in situ sol-gel transition polymerization of ZnO nanofillers within PMMA in the presence of dual functional agent, monoethanolamine, which provided strong secondary interfacial interactions for both complexing and crosslinking of constituents.</p><p>In the second part of the work, nanoengineering on the surface of copper plates has been performed in order to enhance the boiling heat transfer coefficient. Micro-porous surfaces with dendritic network of copper nanoparticles have been obtained by electrodeposition with dynamic templates. To further alter the grain size of the dendritic branches, the nanostructured surfaces underwent a high temperature annealing treatment.</p><p>Comprehensive characterization methods of the polymer-inorganic hybrid materials and nanoengineered surfaces have been undertaken. XRD, 1H NMR, FT-IR, TGA, DSC, UV-Vis, ED, SEM, TEM and HRTEM have been used for basic physical properties. Pool boiling tests were performed to evaluate the boiling performance of the electrodeposited nanostructured micro-porous structures.</p><p>The homogeneous PZHM exhibited enhanced UV-shielding effects in the entire UV range even at very low ZnO content of 0.02 wt%. Moreover, the relationship between band gap and particle size of incorporated ZnO by sol-gel process was in good agreement with the results calculated from the effective mass model between bandgap and particle size. The fabricated enhanced surface has shown an excellent performance in nucleate boiling. At heat flux of 1 W/cm2, the heat transfer coefficient is enhanced over 15 times compared to a plain reference surface. A model has been presented to explain the enhancement based on the structure characteristics.</p>

Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen der im Kühlmittel von Leichtwasserreaktoren zur Reaktivitätssteuerung eingesetzten Borverbindungen auf Siedeprozesse – und damit indirekt auf die Wärmeabfuhr der Brennelemente – zu untersuchen. Bei den Siedeversuchen, die Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind, wurde besonders auf eine realitätsnahe Annäherung an die Reaktorparameter Wert gelegt. Als Unterstützung zur Interpretation der Ergebnisse dienten eigene Messungen von signifikanten physikalischen Stoffdaten an wässrigen Borsäure- und Pentaboratlösungen. Die Siedeprozesse wurden in einer eigens für diese Analysen konzipierten und errichteten Versuchsanlage SECA unter Verwendung eines Leitfähigkeitsgittersensors sowie einer Hochgeschwindigkeitskamera bei Drücken von maximal 40 bar und Temperaturen bis zu 250 °C untersucht. Entsprechend der in den Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis wird für reale Reaktoren fol-gendes angenommen: Die Anwesenheit von Borsäure hat keinen Einfluss auf großvolumige Sie-devorgänge im betrachteten Störfallszenario eines Druckwasserreaktors, und die Auswirkungen auf das unterkühlte Sieden sind vernachlässigbar gering. Es ist nicht zu erwarten, dass der Wärmeübergang von den Brennelementen an das Kühlmittel beeinflusst wird. Bei einer Einspeisung von Pentaborat in Siedewasserreaktoren kann jedoch davon ausgegangen werden, dass der Wärmeübergang durch eine Verkleinerung der Blasen verbessert wird. Weitere Untersuchungen bezüglich des Austrages von Pentaborat an der Phasengrenze sowie der Bildung von Schäumen sind jedoch notwendig, und es ist den Fragen nachzugehen, ob sich diese Schäume auch bei der Einspeisung von Pentaborat in einen Siedewasserreaktor bilden können und welche Auswirkungen diese auf die oberhalb des Kerns befindlichen Dampfabscheiderzyklone und Dampftrockner haben.

Cette thèse porte sur la simulation des jets de gouttes générés par des pulvérisateurs essence haute pression, pulvérisateurs qui sont un point clef des systèmes de combustion automobile de la présente et future génération devant diminuer les émissions de CO2 et de polluants. Dans un premier temps les jets de gouttes (« sprays ») sont simulés par simulation moyennée. Les résultats de simulation d’un jet donnant des résultats en moyenne satisfaisant, l'interaction de jets en injecteurs multi-trous est alors simulée. Les résultats sont cohérents par rapport aux mesures d'entraînement d’air. La simulation permettant d'avoir accès au champ complet 3D, le mécanisme d'interaction jet à jet et de développement instationnaire du spray est décrit en détail. La formation d’un mouvement descendant au centre du spray et celle d'un point d'arrêt central sont trouvés. Finalement, Ces résultats sont étendus au cas surchauffé, cas où la pression dans la chambre est inférieure à la pression de vapeur saturante. Un modèle simple semi-empirique est proposé pour tenir compte de la modification des conditions proches de la buse d’injection. Le modèle prédit correctement les tendances des variations de paramètres et capture la forme générale du spray qui se referme sur lui-même. La seconde grande partie est consacrée au développement d’un modèle de spray par l’approche des grandes échelles (SGE), limité ici aux cas non évaporant. Il comprend la modélisation de sous-maille de la dispersion turbulente, des collisions-coalescence et des termes d’échange de quantité de mouvement de sous-maille. L'effet du choix du modèle de sous-maille pour la viscosité turbulente de sous-maille est montré, le choix retenu étant le modèle de Smagorinski dynamique. Afin d'améliorer la représentativité cruciale des conditions d’injections, un couplage faible est réalisé à partir de résultats de simulations existantes de l'écoulement interne aux buses. Les fonctions densité de probabilité simple et jointes extraits des résultats de simulations sont validés par rapport aux mesures PDA en situation pseudo-stationnaire et la pénétration liquide et la forme du spray est comparée aux visualisations par ombroscopie. Enfin, différentes zones caractéristiques sont identifiées et des longueurs sont notées pour les cas d'injection à 100 et 200bar. / Over the years numerical modelling and simulation techniques have constantly been improved with the increase in their use. While keeping the computational resources in mind, numerical simulations are usually adapted to the required degree of accuracy and quality of results. The conventional Reynolds Average Navier Stokes (RANS) is a robust, cheap but less accurate approach. Large Eddy Simulation (LES) provides very detailed and accurate results to the some of the most complex turbulence cases but at higher computational cost. On the other hand, Direct Numerical Simulation (DNS) is although the most accurate of the three approaches but at the same time it is computationally very expensive which makes it very difficult to be applied to the most of the complex industrial problems. The current work is aimed to develop a deeper understanding of multi-hole Gasoline Direct Injection (GDI) sprays which pose many complexities such as; air entrainment in the multi-hole spray cone, Jet-to-Jet interactions, and changes in the spray dynamics due to the internal flow of the injector. RANS approach is used to study multi-hole injector under cold, hot and superheated conditions. Whereas, LES is utilized to investigate the changes in the dynamics of the single spray plume due to the internal flow of the GDI injector. To reduce computational cost of the simulations, dynamic mesh refinement has been incorporated for both LES and RANS simulation. A thorough investigation of air entrainment in three and six hole GDI injectors has been carried out using RANS approach under non superheated and superheated conditions. The inter plume interactions caused by the air entrainment effects have been analysed and compared to the experimental results. Moreover, the tendencies of semi collapse and full collapse of multi-hole sprays under non superheated and superheated conditions have been investigated in detail as well. A methodology of LES has been established using different injection strategies along with various subgrid scale models for a single spray plume. In GDI multi-hole sprays, the internal flow of the injector plays a very crucial role in the outcome the spray plume. A separate already available internal flow LES simulation of the injector has been coupled with the external spray simulation in order to include the effect of nozzle geometry and the cavitation phenomenon which completely change the dynamics of the spray.

Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen der im Kühlmittel von Leichtwasserreaktoren zur Reaktivitätssteuerung eingesetzten Borverbindungen auf Siedeprozesse – und damit indirekt auf die Wärmeabfuhr der Brennelemente – zu untersuchen. Bei den Siedeversuchen, die Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind, wurde besonders auf eine realitätsnahe Annäherung an die Reaktorparameter Wert gelegt. Als Unterstützung zur Interpretation der Ergebnisse dienten eigene Messungen von signifikanten physikalischen Stoffdaten an wässrigen Borsäure- und Pentaboratlösungen. Die Siedeprozesse wurden in einer eigens für diese Analysen konzipierten und errichteten Versuchsanlage SECA unter Verwendung eines Leitfähigkeitsgittersensors sowie einer Hochgeschwindigkeitskamera bei Drücken von maximal 40 bar und Temperaturen bis zu 250 °C untersucht. Entsprechend der in den Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis wird für reale Reaktoren fol-gendes angenommen: Die Anwesenheit von Borsäure hat keinen Einfluss auf großvolumige Sie-devorgänge im betrachteten Störfallszenario eines Druckwasserreaktors, und die Auswirkungen auf das unterkühlte Sieden sind vernachlässigbar gering. Es ist nicht zu erwarten, dass der Wärmeübergang von den Brennelementen an das Kühlmittel beeinflusst wird. Bei einer Einspeisung von Pentaborat in Siedewasserreaktoren kann jedoch davon ausgegangen werden, dass der Wärmeübergang durch eine Verkleinerung der Blasen verbessert wird. Weitere Untersuchungen bezüglich des Austrages von Pentaborat an der Phasengrenze sowie der Bildung von Schäumen sind jedoch notwendig, und es ist den Fragen nachzugehen, ob sich diese Schäume auch bei der Einspeisung von Pentaborat in einen Siedewasserreaktor bilden können und welche Auswirkungen diese auf die oberhalb des Kerns befindlichen Dampfabscheiderzyklone und Dampftrockner haben.

Die vorliegende Dissertationsschrift beinhaltet die Ergebnisse der Untersuchung von loka-len und globalen Prozessen der Wärmeübertragung beim unterkühlten Strömungssieden. Sie ist an der Schnittstelle zwischen Reaktorsicherheitsforschung und der experimentellen Thermofluiddynamik für Phasenübergänge einzuordnen. In technischen Anwendungen zur effizienten Übertragung großer Wärmemengen spielt der Prozess des Siedens eine wichtige Rolle. Dieser Vorgang bewirkt einen starken Anstieg des Wärmetransportes von der beizten Wand an das Fluid bei vergleichsweise geringem Anstieg der Wandtemperatur. Der maximal übertragbare Wärmestrom beim Sieden wird begrenzt durch die sogenannte kritische Wärmestromdichte, deren Überschreitung zum thermomechanischen Versagen der beheizten Komponente führen kann. Aufgrund der Komplexität dieser Prozesse ist es trotz intensiver Arbeiten in den letzten Jahrzehnten noch nicht gelungen, diese Vorgänge detailliert zu modellieren. Eine Weiter-entwicklung der Modelle zur realistischen Beschreibung des unterkühlten Strömungssie-dens erfordert neuartige Untersuchungen, welche eine genaue Klassifizierung der partiellen Wärmeübergänge des Blasensiedens ermöglichen. Die Analyse partieller Wärmetransportgrößen beim unterkühlten Strömungssieden sowie der Einfluss variierender thermohydraulischer Randbedingungen ist Schwerpunkt dieser Arbeit. In der entwickelten Versuchsanlage erfolgt die Erfassung der Siedevorgänge bei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 – 2 m/s und Eintrittstemperaturen von 60 - 98 °C. Mit Hilfe empfindlicher Temperaturmessungen in einem elektrisch beheizten Kapillarrohr innerhalb des Strömungskanals werden die globalen Vorgänge beim Übergang von Kon-vektion zum Sieden erfasst. Durch eine modellbasierte Bestimmung der Oberflächentem-peratur lassen sich Phänomene nachweisen, welche bisher weitestgehend unbeachtet ge-blieben sind. Die transparente Versuchsstrecke ermöglicht eine Erfassung der lokalen Sie-devorgänge mit optisch und zeitlich hochauflösenden Messverfahren. Durch die Entwick-lung neuer Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung wurde eine umfangreiche, kenngrö-ßenorientierte Auswertung der in großem Umfang entstandenen Datenmengen realisiert. Der Einsatz transparenter und elektrisch leitfähiger Beschichtungen ermöglicht die mikro-skopische Erfassung des Blasenwachstums in weiten thermohydraulischen Parameterberei-chen. Mit erweiterten Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgt die detaillierte und dynamische Bewertung des Blasenwachstumsverhaltens. Die statistische Auswertung der Verläufe er-möglicht die Ableitung eines Blasenwachstumsmodells für unterkühltes Strömungssieden. In einer weiteren Versuchsanordnung werden die lokalen Wärmetransportvorgänge bei der Ablösung quasistatisch gewachsener Blasen mit Hilfe der Infrarot-Thermographie be-stimmt. Dadurch können erstmalig die aus der lokalen Abkühlung der beheizten Oberfläche durch Blasenablösung resultierenden Wärmeströme unter Vernachlässigung der Bla-senbildung experimentell quantifiziert werden. Weiterhin können die bisher theoretisch beschriebenen Driftströmungen beim Aufstieg der Blase experimentell nachgewiesen wer-den. Die ermittelten Größen und Zusammenhänge tragen zur Weiterentwicklung und zum Abbau von Unsicherheiten bei der Modellierung von Wärmetransportvorgängen beim unterkühlten Strömungssieden bei.

This thesis deals with the engineering of novel nanomaterials, particularly nanocomposites and nanostructured surfaces with enhanced functionalities. The study includes two parts; in the first part, an in situ sol-gel polymerization approach is used for the synthesis of polymer-inorganic hybrid material and its exceptional transparent UV-shielding effect has been investigated. In the second part, electrodeposition process has been adapted to engineer surfaces and the boiling performance of the fabricated nanostructured surfaces is evaluated. In the first part of the work, polymer-inorganic hybrid materials composed of poly(methylmethacrylate) (PMMA) and zinc compounds were prepared by in situ sol-gel transition polymerization of zinc complex in PMMA matrix. The immiscibility of heterophase of solid organic and inorganic constituents was significantly resolved by an in situ sol-gel transition polymerization of ZnO nanofillers within PMMA in the presence of dual functional agent, monoethanolamine, which provided strong secondary interfacial interactions for both complexing and crosslinking of constituents. In the second part of the work, nanoengineering on the surface of copper plates has been performed in order to enhance the boiling heat transfer coefficient. Micro-porous surfaces with dendritic network of copper nanoparticles have been obtained by electrodeposition with dynamic templates. To further alter the grain size of the dendritic branches, the nanostructured surfaces underwent a high temperature annealing treatment. Comprehensive characterization methods of the polymer-inorganic hybrid materials and nanoengineered surfaces have been undertaken. XRD, 1H NMR, FT-IR, TGA, DSC, UV-Vis, ED, SEM, TEM and HRTEM have been used for basic physical properties. Pool boiling tests were performed to evaluate the boiling performance of the electrodeposited nanostructured micro-porous structures. The homogeneous PZHM exhibited enhanced UV-shielding effects in the entire UV range even at very low ZnO content of 0.02 wt%. Moreover, the relationship between band gap and particle size of incorporated ZnO by sol-gel process was in good agreement with the results calculated from the effective mass model between bandgap and particle size. The fabricated enhanced surface has shown an excellent performance in nucleate boiling. At heat flux of 1 W/cm2, the heat transfer coefficient is enhanced over 15 times compared to a plain reference surface. A model has been presented to explain the enhancement based on the structure characteristics. / QC 20101118