The purpose of this report is to describe and discuss the current state of the knowledge about the Leidenfrost phenomenon which is a heavily studied subject in the field of boiling heat transfer. The strong interest is due to reactor safety considerations since it is desirable to obtain a better understanding of the physical mechanisms involved in the rewetting of high temperature surface after a loss of coolant accident. Brief survey of the theoretical and experimental results from available open literatures indicates that considerable discrepancy exists in the prediction of the Leidenfrost temperature at the elevated pressures and more investigations are needed in this area.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2015.08a
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pp.126.1-126.1
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2015
A quantitative relationship between Leidenfrost point and surface characteristics such as surface material and roughness is investigated. Based on the relationship, we have fabricated the surfaces with their Leidenfrost points (LFP) tuned by controlling surface coating and structures. As discovered by Leidenfrost, liquids placed on a hot plate levitate on the gas phase-air gap formed by the vaporization of liquids. This phenomenon is called 'Leidenfrost effect'. A change of LFP has attracted many researchers for several years but the ability to tune LFP is still a remaining issue. Many of previous work has progressed for various conditions so the systematic approach and analysis are needed to clearly correlate the LFP and the surface conditions. In this report, we investigate a relation of surface energy and LFP using various coating materials such as Octadecyltrichlorosilane (OTS) and 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorooctyltrichlorosilane (FOTS). Also, we analyze how surface roughness affects LFP via surface micro structuring with ICP-RIE fabrication process. The improved understanding can have potential applications such as the control of liquid droplet behavior at elevated temperatures for efficient cooling system.
In this experiment, a heterogeneous droplet consisted of de-ionized water and olive oil was made through two 31G injection needles. The injection flow rate was $50{\mu}{\ell}/min$ and the droplet size was 2 mm. The droplet was impinged onto a sapphire plate which was heated up to $300^{\circ}C$ by a heater. Two high speed cameras were used for visualization, and the frame rate was 20,000 fps. A 150W metal halite lamp was used for illumination. The dropping height was fixed to 20 mm and the corresponding Weber number was 10.6 based on water. Due to different boiling points of two liquids, partial boiling features of heterogeneous droplet was observed. At the Leidenfrost condition, micro explosion phenomenon has occurred.
The droplet impact behavior is dominated by some parameters such as surface temperature, We number, surface and fluid property. Especially, Leidenfrost effect which prevents the contact between surface and droplet is very powerful phenomenon for determining droplet impact behavior. Due to this effect, the impact regime is divided into contact boiling regime and film boiling regime whether the droplet contact with the surface. Many studies have found that surface micro-structures which processed by surface processing are effective to overcome the Leidenfrost effect. In this study, droplet impact behaviors were compared using ethanol both on flat and laser-ablated Al surface. On the flat surface, impact regime was mainly divided by surface temperature. And there is key dominant parameter for each regime. On the laser-ablated surface, we could see changed impact regime and different impact behavior such as jetting and ejection of tiny droplets despite of same impact conditions.
Hydrophobic characteristics of high temperature metal surface were investigated by high-speed visualization of water droplet impact. An aluminum plate was used as the sample plate and the initial diameter of a water droplet was 2 mm. Transient behavior of a single droplet impinging on the surface with and without heating was captured by using a high speed camera running at 4,000 frames per second. The Leidenfrost phenomenon was demonstrated for the case of $300^{\circ}C$ surface temperature, however there was no rebounding of droplet on the cold plate due to hydrophilic nature. The experimental results show that the shape evolution of a droplet impinging on the surface varies with the Weber number, i.e. the ratio of impact inertia to capillary force. The overall water-repellent characteristics of the heated surface was very similar to that of the super hydrophobic surfaces.
Park, Jun-seok;Kim, Hyungdae;Bae, Sung-won;Kim, Kyung Doo
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.39
no.7
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pp.567-578
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2015
Single droplet-wall collision heat transfer characteristics on a heated plate above Leidenfrost temperature were experimentally investigated considering the effects of impact velocity. The collision characteristics of the droplet impinged on the heated wall and the changes in temperature distribution were simultaneously measured using synchronized high-speed video and infrared cameras. The surface heat flux distribution was obtained by solving the three-dimensional transient heat conduction equation for the heated substrate using the measured surface temperature data as the boundary condition for the collision surface. As the normal impact velocity increased, heat transfer effectiveness increased because of an increase in the maximum spreading diameter and a decrease in the vapor film thickness between the droplet and heated wall. For We < 30, droplets stably rebounded from a heated wall without breakup. However, the droplets broke up into small droplets for We > 30. The tendency of the heat transfer to increase with increasing impact velocity was degraded by the transition from the rebounding region to the breakup region; this was resulted from the reduction in the effective heat transfer area enlargement due to the breakup phenomenon.
During transients or accidents, the reactor core is uncovered, and droplets entrained above the quench front collides with the uncovered fuel rod surface. Droplet impact cooling can reduce the peak cladding temperature. Besides zirconium-based cladding, versatile accidental tolerant fuel (ATF) claddings, including FeCrAl, have been proposed to increase the accident coping time. In order to investigate the effect of surface properties on droplet impact cooling of cladding surfaces, the droplet impact phenomena are photographed on the FeCrAl and zircaloy-4 (Zr-4) surfaces under different conditions. On the oxidized FeCrAl surface, the Leidenfrost phenomenon is not observed even when the surface temperature is as high as 550 ℃ with We > 30. Comparison of the impact behaviors observed on different materials shows that nucleate and transition boiling is more intensive on surfaces with larger thermal conductivity. The Leidenfrost point temperature (LPT) decreases with the solid thermal effusivity (${\sqrt{k{\rho}C_p}}$). However, the CHF temperature is relatively insensitive to the surface oxidation and Weber number. Droplet spreading diameter is analyzed quantitatively in the film boiling stage. Based on the energy balance a correlation is proposed for droplet maximum spreading factor. A mechanistic model is also developed for the LPT based on homogeneous nucleation theory.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.5
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pp.459-465
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2013
In the manufacturing process of steel plates, materials at high temperatures above $800^{\circ}C$ are rapidly cooled by using a circular impinging water jet to determine their strength and toughness. In this study, the basic heat and fluid flow is solved by using the existing numerical model for boiling heat transfer. Actually, steel undergoes a phase change from austenite to ferrite or bainite during the cooling process. The phase change induces changes in its thermal properties. Instead of directly solving the phase change and the material cooling together, we solve the heat transfer only by applying the thermal properties that vary with temperature, which is already known from other studies. The effects of the changes in the thermal properties on the cooling of steel and the necessity of calculating the phase change are discussed.
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