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Metadata

%0 Thesis
%4 sid.inpe.br/mtc-m21c/2020/02.11.12.10
%2 sid.inpe.br/mtc-m21c/2020/02.11.12.10.01
%A Enke, Cristiano,
%T Numerical modeling of a heat pipe transient modes
%D 2020
%E Costa, Rafael Lopes (presidente),
%E Vladimirovich, Valeri Vlassov (orientador),
%E Santos, Nadjara dos,
%E Guimarães, Lamartine Nogueira Frutuoso,
%E Andrade, Claudia Regina de,
%8 2020-02-20
%J Modelagem numérica dos modos transientes de um tubo de calor
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K heat pipes, transient analysis, noncondensable gas, tubos de calor, análise transiente, gás não-condensável.
%X 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 presença de gás não-condensável no tubo de calor foi investigado experimentalmente e um modelo numérico unidimensional de tubos de calor foi desenvolvido. A formulação matemática inclui equações de conservação do escoamento compressível da mistura vapor-gás, conservação de energia da parede, da região porosa e da mistura, incluindo com a condição de saturação de Clausius-Clapeyron e a suposição de gás ideal para o gás não-condensável. Para resolver o acoplamento velocidade-pressão, foi utilizado um algoritmo iterativo numérico baseado no método SIMPLE com grade intercalada, resultando em uma matriz tridiagonal com uma solução numérica. Foi realizado um extenso programa para a validação do modelo. Primeiro, alguns casos não triviais foram selecionados a partir das publicações disponíveis de estudos experimentais, como cargas múltiplas de calor e transientes rápidos durante a inicialização e o desligamento de um tubo de calor com gás não-condensável. Depois, alguns casos foram testados para verificar a estabilidade do algoritmo desenvolvido sob mudanças repentinas do número e das posições das cargas de calor e zonas de resfriamento, resultando em uma redistribuição dinâmica das direções e velocidade da mistura e alterações no rearranjo da concentração de gás não-condensável. Por último, um estudo experimental foi realizado no laboratório térmico do INPE/ETE, seguindo uma nova abordagem para testar dois tubos de calor idênticos - um com e outro sem gás nãocondensável, nas mesmas condições. Essa nova abordagem permitiu melhorar a precisão do modelo, ajustando separadamente os parâmetros comuns aos dois tubos. Os resultados das simulações mostram que o modelo numérico é capaz de prever o desempenho do tubo e o comportamento do gás não-condensável dentro do tubo de calor, incluindo uma formação gradual da frente de difusão de vapor-gás quando o tubo de calor se aproxima da condição de estado estacionário. Devido às condições de teste, o modelo apresentado leva em consideração trocas de calor por convecção natural e forçada no dissipador de calor, mas pode ser facilmente modificado para levar em consideração a transferência de calor orbital transiente em aplicações espaciais. A altamente dinâmica elevação e a queda de temperatura na inicialização e desligamento estavam de acordo com os resultados experimentais para casos com e sem gás não-condensável. Além disso, a taxa de mudança de temperatura do condensador provou ser mais sensível à presença de gás nãocondensável do que a própria temperatura, tornando-se um método eficiente para detectar a presença de gás não-condensável dentro dos tubos de calor quando a presença de gás não é desejável.
%P 103
%@language en
%9 Dissertação (Mestrado em Mecânica Espacial e Controle)
%3 publicacao.pdf


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