Technische Geräte werden immer kleiner und leistungsfähiger – ob nun bei irdischen Applikationen oder in der Raumfahrt. Falls diese Geräte gekühlt werden müssen, steigt damit auch der abzuführende Wärmestrom pro Fläche. Das Kühlmedium kann einphasig (ohne Phasenwechsel) oder zweiphasig (mit Phasenwechsel) arbeiten. Der Phasenwechsel bringt den deutlichen Vorteil mit sich, dass vergleichsweise sehr viel Wärme (in Form von der benötigten Enthalpie zum Phasenwechsel) bei geringer Temperaturdifferenz abgeführt werden kann. Daraus resultiert bei gleicher abzuführender Wärme eine deutlich kleinere Erwärmung des Kühlmediums als bei der Wärmeübertragung durch einem einphasigen Kühlprozess.
Der Phasenübergang zwischen flüssig und gasförmig kann in drei Regimes unterteilt werden: freie Konvektion, Blasensieden und Filmsieden. Das Blasensieden weist dabei die günstigste Kombination aus Wärmeübertragungseffizienz und moderaten Temperaturdifferenzen auf. Daher wird eine Nutzung angestrebt, z.B. zur Kühlung von elektrischen Komponenten in Windkraftanlagen und Ladestationen oder in der Raumfahrt.
Beim Betrachten vom kochendem Wasser auf dem Herd kann man erahnen, wie komplex und schnell der Blasensiede-Vorgang im Allgemeinen abläuft. Aktuell existieren zu den dazugehörigen Beziehungen zur Hydro- und Thermodynamik der Dampfblasen nur empirische Korrelationen. Fast alle dieser Korrelationen sind unter Erdschwerkraft ermittelt worden und verlieren ihre Gültigkeit für Mikrogravitation bzw. Schwerelosigkeit. Folglich wird ein tieferes Verständnis der Mechanismen des Wärme- und Stofftransports beim Blasensieden angestrebt. Dazu sind Experimente in Mikrogravitation besonders wertvoll, da dort die Vorgänge deutlich langsamer ablaufen und sich dadurch besser untersuchen lassen.
Experimente liefern auf makroskopischer Ebene aufschlussreiche Erkenntnisse, aus welchen sich z.B. empirischen Korrelationen oder besser allgemeingültige Aussagen ableiten lassen. Auf kleinster Raum- und Zeitebene laufen die Prozesse beim Blasensieden jedoch zu schnell ab, um sie mit den heutigen experimentellen Methoden zu erfassen. Hier kommt die Numerik ins Spiel: Durch das Implementieren der beschreibenden Gleichungen und dem Aufbringen von genügend Rechenleistung lassen sich Vorgänge auf einer Größen- und Zeit-Skala beobachten und analysieren, die experimentell nicht zugänglich ist. Allerdings funktioniert die numerische Analyse nur im Zusammenspiel mit Experimenten. Die Ergebnisse der Numerik müssen immer gegen ganz konkrete Experimente validiert werden, damit den Ergebnissen vertraut werden kann.
Zu diesem Zweck wurde unter Federführung der ESA ein Benchmark-Experiment mit dem Namen „Reference Multiscale Boiling Investigation“ („RUBI“) entwickelt, in dessen Rahmen in einer Testzelle auf der ISS Einzelblasen unter verschiedenen Außenwirkungen wie laminarer Scherströmung oder einem elektrischen Feld experimentell untersucht werden. Anhand der dadurch ermittelten Daten wird der instituseigene Solver erweitert und angepasst. Dieser Solver wurde 2011 mit der Open Source Toolbox OpenFOAM entwickelt und wird seitdem kontinuierlich weiter verbessert.
Der Solver verknüpft dabei hoch aufgelöste Modelle an der 3-Phasen Kontaktlinie mit makroskopischen Modellen zur Verdampfung an der Phasengrenze. Stand 2020 ist er anwendbar auf das Blasensieden in ruhendem Fluid und unter laminarer Scherströmung. Neu hinzukommen soll die Fähigkeit, die Auswirkungen eines elektrischen Feldes auf die Kontur und Fortbewegung einer oder mehrerer Blasen zu modellieren. Die Aufprägung eines elektrischen Feldes ist eine Möglichkeit, die im All fehlende oder kaum vorhandene Volumenkraft aufgrund von Schwerkraft zu ersetzen. Damit kann gezielt Einfluss auf den Massen-, Impuls- und Energietransport genommen werden.
Zusammengefasst lautet das Hauptziel: Durch die numerische Analyse des Blasensiede-Vorgangs unter verschiedenen Bedingungen soll ein tieferes Verständnis erreicht werden. Dies kann dazu beitragen, einen kleinen Schritt weg von empirischen Korrelationen hin zu allgemeingültigen Beziehungen zu machen.
