شبیه سازی عددی و تحلیل پارامتری یک لوله حرارتی جهت کاربرد در سامانه های هوافضایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد / گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان

2 عضو هیات علمی / گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان

3 عضو هیات علمی / پژوهشکده مواد و انرژی، اصفهان

4 دکتری مهندسی مکانیک / گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان

چکیده

استفاده از لوله‌های حرارتی به عنوان راهکاری برای کنترل دمایی غیر فعال در تجهیزات الکترونیکی، مخصوصاً در ماهواره‌ها محسوب می‌شوند. قابلیت ‌اعتماد بالا، هزینه پایین و عدم مصرف توان، عمر زیاد و هدایت گرمایی بالا از ویژگی­های جذاب استفاده از این وسایل هستند. در این مقاله، هدف مطالعه عددی پارامترهای موثر بر عملکرد یک لوله حرارتی است که در زیر سیستم کنترل دمایی در کاربردهای فضایی، دما را در حین عملکرد ماهواره در محدوده مد نظر کنترل می­کند. در این پژوهش ابتدا اعتبارسنجی نتایج عددی شبیه سازی یک لوله حرارتی سه بعدی استوانه­ای با نتایج آزمایشگاهی موجود در مراجع انجام شده است. پس از اطمینان از حل عددی، اثر سیال کاری، ضریب تخلخل و طول کندانسور بر رفتار حرارتی لوله بررسی شده است. مدلسازی عددی به صورت گذرا، سه بعدی و با استفاده از روش حجم سیال انجام شده است. نتایج شبیه­سازی نشان می­دهد که رفتار دمایی لوله حرارتی پس از 120 ثانیه پایا می­شود. همچنین، با کاهش ضریب تخلخل ناحیه فتیله، مقاومت حرارتی در لوله حرارتی افزایش و میزان انتقال حرارت کاهش می­یابد. با بررسی سه سیال کاری استون، آب و متانول،کمترین مقاومت حرارتی مربوط به سیال کاری متانول، استون و آب بوده است. همچنین کسر حجمی بخار آب و آب مایع با کاهش طول کندانسور به ترتیب بیشتر و کمتر بوده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of heat pipe and study of geometric parameters and working fluid on its thermal performance for aerospace applications

نویسندگان [English]

  • Negar Shakarami 1
  • Ebrahim Afshari 2
  • Ehsan Baniasadi 2
  • Saeed Asghari 3
  • Seyed Ali Atyabi 4
1 PH.D. Student,/University of Isfahan
2 University of Isfahan
3 Energy center/ Isfahan
4 University of Isfahan
چکیده [English]

One of the critical challenges in the satellite is thermal management of the electronic unit and preventing the formation of hotspots, which requires proper heat transfer for structures used in spacecraft. One way to increase heat conduction is to use heat pipes in these structures. Heat pipes are passive heat control methods that can be used in aerospace applications due to their reliability, cost and power consumption, lifetime, and high thermal conductivity. The main goal of this study is to apply a heat pipe in thermal management of the satellite. We use a 3D cylindrical numerical model of the wicked heat pipe for comprising with experimental data. Heat pipe simulation is performed using the multi-phase volume of the fluid model (VOF) method, and user-defined function in the numerical model in Fluent software. We use transient mode for solving equations. The simulations results show that after 120 s the heat pipe operation is stabled. The results confirm reducing the porosity, the thermal resistance in the heat pipe increases, and the heat transfer performance decreases. The results also show that the methanol has the lowest thermal resistance among other coolants.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Heat Pipe
  • Spacecraft thermal control
  • Wick
  • Multi-phase
  • numerical simulation
[1] C. L. Tien, A. R. Rohani, Analysis of the effect of vapor-pressure drop on heat pipe performance, International Journal of Heat Mass Transfer, Vol. 17, pp. 61-67, 1974.
[2] A. Faghri, S. Parvani, Numerical analysis of laminar flow in a double-walled annular heat pipe, Journal of Thermophys Heat Transfer, Vol. 2, No. 2, pp. 165-174, 1988.
[3] M. M. Chen, A. Faghri, An analysis of the vapor flow and the heat conduction through the liquid-wick and pipe wall in a heat pipe with single or multiple heat sources, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 33. No. 9, pp. 1945-1955, 1990.
[4] J. Hoon Jang, A. Faghri, W. Soon Chang, Analysis of the one-dimensional transient compressible vapor flow in heat pipes, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 34, No. 8, pp. 2029-2037, 1991.
[5] K. A. R. Ismail, M. A. Zanardit, A steady-state model for heat pipes of cross-sections, Applied Thermal Engineering, Vol. 16, No. 8, pp. 753-763, 1996.
[6] S. Mahjoub, A. Mahtabroshan, Numerical simulation of a conventional heat pipe, International Journal of Mechanical, Industrial and Aerospace Sciences, Vol. 2, No. 3, pp. 117-122, 2008.
[7] G. V. Kuznetsov, A. E. Sitnikov, Numerical modeling of heat and mass transfer in a low-temperature heat pipe, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol. 75, pp. 840-848, 2002.
[8] B. Suman, P. Kumar, An analytical model for fluid flow and heat transfer in a micro-heat pipe of polygonal shape, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48, No. 21, pp. 4498-4509, 2005.
[9] Q. Su, S. Chang, M. Song, Y. Zhao, C. Dang, An experimental study on the heat transfer performance of a loop heat pipe system with ethanol-water mixture as working fluid for aircraft anti-icing, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 139, pp. 280-292, 2019.
[10] T. Young, B. Hyun, J. Lee, J. Rhee, Numerical study of the spacecraft thermal control hardware combining solid-liquid phase change material and a heat pipe, Aerospace Science and Technology, Vol. 27, No. 1, pp. 10-16, 2013.
[11] B. Fadhl, L. C. Wrobel, H. Jouhara, Numerical modelling of the temperature distribution in a two-phase closed thermosyphon, Applied Thermal Enginering, Vol. 60, No. 1-2, pp. 122–131, 2013.
[12] Ansys, Ansys flent tutorial guide, Ansys. pp. 475, 2009.
[13] M. S. Ali, Modeling of heat transfer and flow patterns in a porous wick of a mechanically pumped loop heat pipe : Parametric study using ansys fluent, 2017.
[14] N. Pooyoo, S. Kumar, J. Charoensuk, A. Suksangpanomrung, Numerical simulation of cylindrical heat pipe considering non-darcian transport for liquid flow inside wick and mass flow rate at liquid-vapor interface, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 70, pp. 965-978, 2014.
[15] J. Li, G. P. Peterson, 3D heat transfer analysis in a loop heat pipe evaporator with a fully saturated wick, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 54, pp. 564-574, 2011.
[16] C. Yue, Q. Zhang, Z. Zhai, L. Ling, CFD simulation on the heat transfer and flow characteristics of a microchannel separate heat pipe under different filling ratios, Applied Thermal Enginering, Vol. 139, pp. 25-34, 2018.
[17] A. Faghri, M. Buchko, Experimental and umerical analysis of low-temperture heat pipes with multiple heatsouces, Journal Heat Transfer, Vol. 113, pp. 728-734, 1991.