Bubble growth predictions by the hyperbolic and parabolic heat conduction equations

A model for bubble growth in a uniformly superheated liquid is presented which is valid for both inertia and heat diffusion controlled growth. Two different heat transfer equations are considered: The Fourier (parabolic) equation and the hyperbolic heat conduction equation. It is shown that for short times, bubble growth prediction based on the Fourier equation, differs considerably from that based on the hyperbolic heat conduction equation. For long times, both predictions coincide. Using the hyperbolic heat conduction equation is important for bubble growth prediction in fluids like Helium II, in which thermal disturbances have a low speed of propagation. In such liquids the second sound effects must be considered long after the inertia and dynamic effects become unimportant.The validity of using a semi-infinite approximation to the heat conduction problem during the bubble growth period is investigated. An analytical solution in spherical coordinates reveals that the ratio between the spherical and semi-infinite solutions is a function of the Jakob number. Results of the present model, using the Fourier equation, are shown to be in better agreement with data for bubble growth in water, than other published solutions.

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Beschreibung des Blasenwachstums durch Wärmeleitungs-Gleichungen von hyperbolischer und parabolischer Form

Zusammenfassung Es wird ein Modell für Blasenwachstum in überhitzter Flüssigkeit vorgestellt, das sowohl bei durch Trägheit als auch bei durch Wärmediffusion kontrolliertem Blasenwachstum verwendbar ist. Zwei unterschiedliche Wärmeübertragungsbeziehungen werden in Betracht gezogen: Die Fourier-Gleichung (parabolisch) und eine Wärmeleitungs-Gleichung in hyperbolischer Form.Es wird gezeigt, daß die Modellergebnisse basierend auf der Fourier-Gleichung für schnelle Blasenwachstumszeiten signifikant von vergleichbaren Ergebnissen basierend auf der hyperbolischen Gleichung abweichen, während sie für langsames Wachstum mehr oder weniger identisch sind. Die Verwendung der hyperbolischen Wärmeleitungsgleichung in Blasenwachstumsmodellen ist vor allem in Fluiden wie Helium II von Bedeutung, wo thermische Störungen eine geringe Ausbreitungsgeschwindigkeit haben. Hier müssen die second sound-Effekte noch berücksichtigt werden, wenn die dynamischen und die Einflüsse der Trägheit schon vernachlässigbar sind.Es wurde untersucht, ob die Benutzung einer semi-unendlichen Approximation des Wärmeleitungsproblems während des Blasenwachstums zulässig ist. Eine analytische Lösung in Kugelkoordinaten zeigt, daß das Verhältnis zwischen letzteren und semi-unendlichen Ergebnissen eine Funktion der Jakob-Zahl ist.Schließlich wird gezeigt, daß die Resultate des vorgestellten Modells bei Benutzung der Fourier-Gleichung experimentelle Ergebnisse von Blasenwachstum in Wasser besser wiedergeben als andere bekannte Lösungen.

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Nomenclature a thermal diffusivity - B_s sphericity correction factor - b temperature decay coefficient - c propagation speed of thermal disturbances - E parameter, Eq. (37) - f function of the dimensionless time and bubble radius, Eq. (34) - h_v heat of evaporation - Ja Jakob number, Eq. (35) - k thermal conductivity - N /T - P pressure - P_i initial system pressure - P_v vapour pressure - Q* dimensionless heat flux (Stanton number) - q heat flux - transformed heat flux - q_wL heat flux into the liquid at the bubble boundary - R bubble radius - R* dimensionless bubble radius, Eq. (16) - R₀ initial (critical) bubble radius - r radial coordinate - s the Laplace transform parameter - T temperature - T_i initial liquid temperature - T_s saturation temperature - T_v instantaneous bubble temperature - T₀ initial saturation temperature,T_s (0) - T temperature difference,T_i–T_s (0) - t time - t* dimensionless time, Eq. (16) - y dimensionless distance from the bubble surface - Z constant of integration, Appendix A - a proportionality constant - temperature function, Eq. (8) - transformed temperature function - _v vapour density - _L liquid density - _vi initial vapour density - relaxation time,a/c² - normalized temperature distribution, Eq. (15)