Published June 18, 2021 | Version v1
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Incorporation of species interdiffusion in boundary layer modelling of filmwise condensation with non-condensable gases

Description

Steam condensation in the presence of non-condensable gases involves species interdiffusion. Yet this effect is generally neglected in the literature without a clear justification. We first examine the effect of species interdiffusion in the laminar regime. We consider a binary mixture of a condensable and a non-condensable gas in a differentially heated square cavity. The phenomena described by the numerical simulation are natural convection and condensation, which we model with a Stefan velocity. Examination of various cases shows that species interdiffusion can contribute significantly to the heat transfer when the mass flux is large and when the difference in the heat capacity of the two species is not small. In addition, we examine the influence of Dufour and Soret effects and find that both can be neglected for an air-steam mixture. We then consider the turbulent regime. As a first step, we determine the prediction abilities of low Reynolds models such as the Chien and Launder-Sharma formulations by comparing them with experimental results. We show that the models are able to reproduce successfully the modification of the velocity profile due to wall suction and to estimate correctly the temperature profile. The mass fraction is not as well recovered, but there are reasons to believe that this could be at least partly due to a bias in experimental measurements. As a second step, we build generalized wall functions to capture the different phenomena characterized by spatially-varying physical properties. Our method is grounded on a wall equilibrium model that leads to a system of ordinary differential equations. It relies on the mixing length assumption with the incorporation of a Van Driest damping factor. Results obtained with the method are confronted with low Reynolds model calculations and experimental measurements for three types of boundary layers: a purely kinetic boundary layer with suction/blowing, a boundary layer with suction and heat transfer, and a boundary layer with coupled heat and mass transfer. We determine how the damping factor depends on the wall suction. Finally, we establish that including the effect of interdiffusion is essential to obtain a good agreement of the wall function with experimental results. (author)

Abstract (French)

Le phenomene de condensation de la vapeur en presence de gaz incondensables met en jeu l'interdiffusion des especes. Or cet effet est generalement neglige dans la litterature sans justification claire. L'effet de l'interdiffusion est d'abord examine dans le regime laminaire en considerant le melange binaire d'un gaz condensable et d'un incondensable dans une cavite carree differentiellement chauffee. Les phenomenes consideres sont la convection naturelle et la condensation, qui est modelisee avec une vitesse de Stefan. Les calculs de differents cas ont montre que la contribution de l'interdiffusion au transfert de chaleur etait significative lorsque la difference de capacite thermique entre les deux especes n'est pas negligeable et que le flux de masse est important. L'influence des effets Soret et Dufour a egalement ete examinee dans cette etude. Il a ete etabli que ces effets peuvent etre negliges pour un melange d'air et de vapeur. Nous avons ensuite considere le regime turbulent. Nous nous sommes dans un premier temps interesses aux capacites des modeles bas Reynolds (Chien, Launder-Sharma). Nous avons montre que ces modeles sont capables de predire correctement l'effet d'aspiration dans une couche limite turbulente, d'estimer de maniere acceptable le profil de temperature, et de maniere moins coherente le profil de la fraction de masse. Nous avons dans un deuxieme temps cherche a capturer les couplages ainsi que les variations des proprietes physiques en construisant des fonctions de paroi generalisees. La methode que nous proposons s'appuie sur la resolution d'un systeme d'equations aux derivees ordinaires et fait intervenir le modele de longueur de melange avec le facteur d'amortissement de van Driest. Les profils et flux predits par la methode ont ete compares avec les modeles bas Reynolds ainsi que des resultats experimentaux pour trois types de cas: une couche limite avec aspiration (ou soufflage), une couche limite avec aspiration et transfert thermique, et enfin une couche limite avec transfert de masse et de chaleur couple. Nous avons montre que le parametre d'amortissement depend de la vitesse d'aspiration. Enfin, nous avons etabli que la prise en compte de l'interdiffusion conduit a une amelioration substantielle de l'accord du modele de paroi avec les resultats experimentaux

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Original title (English)
Incorporation de l'interdiffusion des especes dans la modelisation de la couche limite de condensation en film avec des gaz incondensables

Publishing Information

Imprint Pagination
204 p.
Report number
FRCEA-TH--14834

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
54007439
Subject category
S42: ENGINEERING;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
BOUNDARY LAYERS; DAMPING; DIFFERENTIAL EQUATIONS; DIFFUSION; HEAT TRANSFER; LAMINAR FLOW; MASS TRANSFER; PHYSICAL PROPERTIES; STEAM; TURBULENT FLOW; VAPOR CONDENSATION
Descriptors DEC
ENERGY TRANSFER; EQUATIONS; FLUID FLOW; LAYERS

Optional Information

Notes
110 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses