Väitöstutkimus paljastaa miten kiehuminen käynnistyy
22.12.2011
Teemu Laurilan väitöstutkimuksessa onnistuttiin ensimmäistä kertaa maailmassa mallintamaan höyrykuplan syntyhetket kiehuvassa nesteessä.
Kokeellisesti kiehumiskuplien syntyä on yritetty tutkia niin MIR-avaruusasemalla kuin laboratorio-oloissa nestemäisen vedyn kiehuessa -240 asteen lämpötilassa. Laurila ja hänen kollegansa tilastollisen fysiikan tutkimusryhmässä ottivat sen sijaan avuksi nykypäivän tietokoneiden laskentakapasiteetin.
- Työn päätulos on laskennallinen malli, joka ennustaa kiehumiskuplien käyttäytymistä niiden ollessa liian pieniä kokeelliseen havainnointiin, Laurila kertoo.
Kuumalla levyllä kiehuva vesikattila tai olutlasin pinnalle nouseva kuplanoro on arkinen, mutta fyysikoita kiehtova tutkimusongelma.
- Kuplien syntyvaihe määrää, miten paljon lämpöä voidaan siirtää kiehuttamisen avulla, kuvaa Laurila.
Kiehumisen perusfysiikan ymmärtäminen on ensiarvoisen tärkeää, sillä lähes 90 prosenttia maailman energiantuotannosta perustuu lämpökattiloihin. Olipa polttoaine puu, maakaasu tai uraani, voimantuotanto perustuu veden kiehuttamiseen höyryksi.
Kiehumisesta tiedetään jo paljon. Kun vesikattilan lämpötila lähestyy kiehumispistettä, kattilan kuumalta pohjalta alkaa höyrystyä mikroskooppisen pieniä kaasukuplia, jotka pyrkivät painovoiman vaikutuksesta kohti nesteen pintaa. Matkalla ne kasvavat silmin nähtäviksi kiehumiskupliksi.
Jos teekattilan pohjan lämpötilaa edelleen nostetaan, tapahtuu jotain odottamatonta. Noin 130 asteen kohdalla siirrytään kuplittaisesta kiehumisesta niin sanottuun kerroskiehumiseen: kattilan pohjalle alkaa muodostua eristävä kaasupatja. Vaikka lämmitystehoa lisätään, lämmön siirtyminen kiehuvaan nesteeseen hidastuu.
- Saman ilmiön voi havaita kun kuumalle hellalle putoaa vesipisara. Se nousee kaasupatjan päälle, ja kestää kauan ennen kuin se kiehuu pois, kuvailee Laurila.
Aalto-yliopiston tutkijat halusivat ymmärtää, miten siirtyminen kuplittain kiehumisesta kerroskiehumiseen tapahtuu kiehuttavan pinnan lämpötilan noustessa. Avuksi otettiin jo vuonna 1901 kehitetty diffuusin rajapinnan laskentamalli. Sitä ei pystytty hyödyntämään, ennen kuin tietokoneiden teho kehittyi nykyiselle tasolle.
Mitä teekattilan pohjalla sitten tapahtuu? Laurilan tietokonegrafiikka kuvaa alle 100 nanometrin kokoisen kaasukuplan syntyä.
- Kuplan ja astian pohjan rajapinnassa syntyvä höyry suihkuaa kuplan sisään, jolloin kupla kasvaa. Samalla höyrysuihkun rekyyli levittää kuplaa pitkin astian pohjaa, Laurila kuvailee.
Yhdessä ruotsalaisen Kungliga Tekniska Högskolanin tutkijoiden kanssa kehitetyssä laskentamenetelmässä kattilan pohjan ominaisuuksia, vettähylkivyyttä ja pinnan karheutta, voidaan muuttaa vapaasti. Tästä on paljon apua, kun menetelmää hyödynnetään kattilasuunnittelussa, jossa halutaan optimoida lämmön siirtymistä. Tietotekniikassa potentiaalinen sovelluskohde on prosessorien jäähdytys. Tietokoneiden tehoprosessorit tarvitsevat tehokkaan nestejäähdytyksen.
Tutkijat uskovat, että jäähdytystä voitaisiin tehostaa nanopinnoitteella, joka optimoi kiehumisen. Höyrykuplien synty kiinnostaa myös esimerkiksi metallinjalostajia. Mitä nopeammin valettu metallilevy saadaan jäähtymään, sitä hienommaksi metallin mikrorakenne muodostuu. Kiehumisen perusfysiikan ymmärtäminen auttaa siis valamaan entistä parempilaatuisia metallilevyjä.
Teemu Laurilan teoreettisen ja laskennallisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja ”Interface Dynamics in Two-Phase Flows with Diffuse Interface Methods” tarkastettiin 9.12.2011 Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulussa. Työssä tutkittiin kahta erilaista kaksifaasivirtausta, kiehumista ja kineettistä karhenemista, laskennallisin menetelmin.
Lisätietoja:
Teemu Laurila
Puh. +358407181795
Sähköposti: teemu.laurila [at] aalto [dot] fi
Aalto-yliopiston Multiscale Statistical Physics Group -tutkimusryhmä
Teksti: Petja Partenen