@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",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/3UTNQ28",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "24 abr. 2024"
}