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@MastersThesis{Enke:2020:NuMoHe,
               author = "Enke, Cristiano",
                title = "Numerical modeling of a heat pipe transient modes",
               school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
                 year = "2020",
              address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
                month = "2020-02-20",
             keywords = "heat pipes, transient analysis, noncondensable gas, tubos de 
                         calor, an{\'a}lise transiente, g{\'a}s 
                         n{\~a}o-condens{\'a}vel.",
             abstract = "The effect of the presence of noncondensable gas in the heat pipe 
                         was investigated experimentally and a one-dimensional numerical 
                         model was developed. The mathematical formulation includes 
                         vapor-gas compressible mixture flow conservation equations, 
                         conjugated wall, wick, and mixture energy conservation, completed 
                         with Clausius-Clapeyron saturation condition and ideal gas 
                         assumption for noncondensable gas. To solve velocity-pressure 
                         coupling a numerical iterative algorithm based on the SIMPLE 
                         method with staggered grid was used, resulting in tridiagonal 
                         matrix having an effective numerical solution. An extensive 
                         program for the model validation was performed. First, some 
                         non-trivial cases were selected from the available publications of 
                         experimental studies, like multiple heat loading and fast 
                         transients during startup and shutdown of a heat pipe with 
                         noncondensable gas. Second, some cases were performed to verify 
                         the stability of the developed algorithm under sudden changes of 
                         number and positions of heat loads and cooling zones, resulting in 
                         dynamic redistribution of mixture velocity directions and changes 
                         on noncondensable gas concentration rearrangement. Third, an 
                         experimental study was conducted in the INPE/ETE thermal 
                         laboratory following a new approach to test two identical heat 
                         pipes one with and another without noncondensable gas, under the 
                         same conditions. This new approach has allowed improving the model 
                         precision by separate adjusting of parameters that are common for 
                         both pipes. The results of simulations show that the numerical 
                         model is capable to predict the heat pipe transient performance 
                         and behavior of noncondensable gas inside the heat pipe, including 
                         a gradual formation of vapor-gas diffusion front when heat pipe 
                         approaches steady-state condition. Due to test conditions, the 
                         presented model accounts for natural and forced convection heat 
                         sink but can be easily modified to account for orbital transient 
                         heat transfer in space applications. The high dynamic transient 
                         rise and fall of temperature at startup and shutdown was in 
                         agreement with experimental results for case with and without 
                         noncondensable gas. Moreover, the temperature change rate of the 
                         condenser proved to be more sensible to the presence of 
                         noncondensable gas than temperature itself, becoming an efficient 
                         method to detect the presence of gas inside the heat pipes when 
                         the gas presence is not desirable. RESUMO: O efeito da 
                         presen{\c{c}}a de g{\'a}s n{\~a}o-condens{\'a}vel no tubo de 
                         calor foi investigado experimentalmente e um modelo num{\'e}rico 
                         unidimensional de tubos de calor foi desenvolvido. A 
                         formula{\c{c}}{\~a}o matem{\'a}tica inclui equa{\c{c}}{\~o}es 
                         de conserva{\c{c}}{\~a}o do escoamento compress{\'{\i}}vel da 
                         mistura vapor-g{\'a}s, conserva{\c{c}}{\~a}o de energia da 
                         parede, da regi{\~a}o porosa e da mistura, incluindo com a 
                         condi{\c{c}}{\~a}o de satura{\c{c}}{\~a}o de 
                         Clausius-Clapeyron e a suposi{\c{c}}{\~a}o de g{\'a}s ideal 
                         para o g{\'a}s n{\~a}o-condens{\'a}vel. Para resolver o 
                         acoplamento velocidade-press{\~a}o, foi utilizado um algoritmo 
                         iterativo num{\'e}rico baseado no m{\'e}todo SIMPLE com grade 
                         intercalada, resultando em uma matriz tridiagonal com uma 
                         solu{\c{c}}{\~a}o num{\'e}rica. Foi realizado um extenso 
                         programa para a valida{\c{c}}{\~a}o do modelo. Primeiro, alguns 
                         casos n{\~a}o triviais foram selecionados a partir das 
                         publica{\c{c}}{\~o}es dispon{\'{\i}}veis de estudos 
                         experimentais, como cargas m{\'u}ltiplas de calor e transientes 
                         r{\'a}pidos durante a inicializa{\c{c}}{\~a}o e o desligamento 
                         de um tubo de calor com g{\'a}s n{\~a}o-condens{\'a}vel. 
                         Depois, alguns casos foram testados para verificar a estabilidade 
                         do algoritmo desenvolvido sob mudan{\c{c}}as repentinas do 
                         n{\'u}mero e das posi{\c{c}}{\~o}es das cargas de calor e zonas 
                         de resfriamento, resultando em uma redistribui{\c{c}}{\~a}o 
                         din{\^a}mica das dire{\c{c}}{\~o}es e velocidade da mistura e 
                         altera{\c{c}}{\~o}es no rearranjo da concentra{\c{c}}{\~a}o de 
                         g{\'a}s n{\~a}o-condens{\'a}vel. Por {\'u}ltimo, um estudo 
                         experimental foi realizado no laborat{\'o}rio t{\'e}rmico do 
                         INPE/ETE, seguindo uma nova abordagem para testar dois tubos de 
                         calor id{\^e}nticos - um com e outro sem g{\'a}s 
                         n{\~a}ocondens{\'a}vel, nas mesmas condi{\c{c}}{\~o}es. Essa 
                         nova abordagem permitiu melhorar a precis{\~a}o do modelo, 
                         ajustando separadamente os par{\^a}metros comuns aos dois tubos. 
                         Os resultados das simula{\c{c}}{\~o}es mostram que o modelo 
                         num{\'e}rico {\'e} capaz de prever o desempenho do tubo e o 
                         comportamento do g{\'a}s n{\~a}o-condens{\'a}vel dentro do tubo 
                         de calor, incluindo uma forma{\c{c}}{\~a}o gradual da frente de 
                         difus{\~a}o de vapor-g{\'a}s quando o tubo de calor se aproxima 
                         da condi{\c{c}}{\~a}o de estado estacion{\'a}rio. Devido 
                         {\`a}s condi{\c{c}}{\~o}es de teste, o modelo apresentado leva 
                         em considera{\c{c}}{\~a}o trocas de calor por 
                         convec{\c{c}}{\~a}o natural e for{\c{c}}ada no dissipador de 
                         calor, mas pode ser facilmente modificado para levar em 
                         considera{\c{c}}{\~a}o a transfer{\^e}ncia de calor orbital 
                         transiente em aplica{\c{c}}{\~o}es espaciais. A altamente 
                         din{\^a}mica eleva{\c{c}}{\~a}o e a queda de temperatura na 
                         inicializa{\c{c}}{\~a}o e desligamento estavam de acordo com os 
                         resultados experimentais para casos com e sem g{\'a}s 
                         n{\~a}o-condens{\'a}vel. Al{\'e}m disso, a taxa de 
                         mudan{\c{c}}a de temperatura do condensador provou ser mais 
                         sens{\'{\i}}vel {\`a} presen{\c{c}}a de g{\'a}s 
                         n{\~a}ocondens{\'a}vel do que a pr{\'o}pria temperatura, 
                         tornando-se um m{\'e}todo eficiente para detectar a 
                         presen{\c{c}}a de g{\'a}s n{\~a}o-condens{\'a}vel dentro dos 
                         tubos de calor quando a presen{\c{c}}a de g{\'a}s n{\~a}o 
                         {\'e} desej{\'a}vel.",
            committee = "Costa, Rafael Lopes (presidente) and Vladimirovich, Valeri Vlassov 
                         (orientador) and Santos, Nadjara dos and Guimar{\~a}es, Lamartine 
                         Nogueira Frutuoso and Andrade, Claudia Regina de",
         englishtitle = "Modelagem num{\'e}rica dos modos transientes de um tubo de 
                         calor",
             language = "en",
                pages = "103",
                  ibi = "8JMKD3MGP3W34R/3UTNQ28",
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           targetfile = "publicacao.pdf",
        urlaccessdate = "2020, Sep. 28"
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