مدلسازی عددی و تجربی اثر الگو های دوخت بر عملکرد حرارتی عایق‌های چندلایه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

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

3 عضو هیات علمی / گروه مهندسی مواد، پژوهشکده مواد و انرژی، پژوهشگاه فضایی ایران، اصفهان

4 کارشناسی ارشد / پژوهشکده مواد و انرژی، پژوهشگاه فضایی ایران، اصفهان

چکیده

یکی از چالش­های طراحی و ساخت ماهواره­ها؛ تغییرات شار­های حرارتی وارد بر بدنه است. به منظور کاهش اثرپذیری ماهواره از محیط اطراف، از عایق­های چندلایه استفاده می­شود. نحوه اتصال پتوهای عایق تأثیر قابل توجهی بر عملکرد حرارتی دارند. هدف اصلی این پژوهش تعیین شرایطی است که تحت آن کمترین مقدار ضریب نشر مؤثر و شار حرارتی در عایق‌های چند لایه حاصل شود. به همین منظور چندین طرح اتصال دوخت مدلسازی شده است و طرح اتصال لایه به لایه به عنوان بهترین طرح اتصال بین پتوهای عایق تعیین شد. همچنین به منظور اعتبارسنجی، مدل بدون دوخت و طرح اتصال لایه به لایه با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد. انحراف نتایج مدل عددی از نتایج تجربی کمتر از 9 درصد است. به منظور ارزیابی عملکرد عایق چندلایه، اثر تعداد لایه­ها، اثر ضخامت لایه­ها و جنس مواد نیز تحلیل شده است. همچنین، به دلیل سیکل دمایی در محیط اطراف ماهواره دو حالت شرایط محیطی گرم و سرد لحاظ شده است. نتایج نشان می­دهد طرح اتصال لایه به لایه با تعداد 12لایه که در حالت محیطی گرم شار حرارتی 2/0216 وات بر متر مربع و ضریب نشر 0/0037 و در حالت محیطی سرد شار حرارتی 2/360 وات بر متر مربع و ضریب نشر 0/0048 دارد، بهترین طرح اتصال می­باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical and experimental modeling of the effect of seam schemes on thermal performance of multilayer insulations

نویسندگان [English]

  • Fateme Babaie 1
  • Ehsan Baniasadi 2
  • Mohammad Reza Pakmanesh 3
  • Hamid Mesfrosh 4
1 Mater of science, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, Isfahan
2 Associate professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan
3 Assistant Professor, Institute of Material and Energy, Iranian space research center
4 Mater of science, Institute of Material and Energy, Iranian space research center
چکیده [English]

One of the challenges in design and construction of satellites is the variation of heat fluxes over the body. Multilayer insulation is used to reduce the impact of environment on the satellite. The connection type of insulation blankets has a considerable effect on the thermal performance. In this paper, the effect of sewing patterns on the thermal performance of multilayer insulators is investigated. The main purpose of this study is to determine the conditions under which the minimum effective emittance coefficient and heat flux of multilayer insulations can be obtained. In this regard, several stitching joint patterns have been modeled and the layer-by-layer model is identified as the best bonding scheme for the insulation blankets. Moreover, the experimental data on no-seam and layer-by-layer patterns are used to validate the numerical models. Deviation of numerical results from experimental data is less than 9%. The effects of the number of layers, thickness and properties of the materials are analyzed. Moreover, due to the temperature cycle in the space, both hot and cold conditions are considered. The results indicate that the layer-by-layer joint pattern with 12 layers has the best thermal performance, i.e. in hot cycle the heat flux and emission coefficient are 2.0216 W / m2 and 0.003653, and in cold cycle the heat flux and emission coefficient are 2.36 W / m2 and 0.004784, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Multi-layer insulation
  • Effective emittance
  • thermal control of satellite
  • reflector layer material
[1] D.G. Gilmore, Spacecraft Thermal Control Handbook, Second Edittion, Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics And Astronautics, 2002.
[2] J. Meseguer, I. P. Grande and A. Sanz-Andres. Spacecraft thermal control. Woodhead publishing, 2012.
[3] R. G. Scurlock, History and Origins of Cryogenics, Oxford University Press, NY, 1992.
[4] W. D. Cornell, Radiation Shield supports in Vacuum Insulated Containers, U.S. Patent No. 2,643,022, 1947.
[5] G.Lixing, Generalized equation for thermal conductivity of MLI at temperatures from 20k to 300k, Proceedings of The International Mechanical Engineering Congress, Washington, pp.15-21,2003.
[6] G. Tanda, M. Misale, C. Pisoni, Thermal emittance of thin films for multilayer insulation systems, International Conference on Heat Transfer, pp.1-6, 2002.
[7] H. Sugita, S. Okazaki, H. Kawasaki, Temperature dependence of thermal performance in space using multi-layer insulation, Proceedings of The 22nd International Congress of Mechanical Engineering, pp.1-20, California: San Diego, 2012.
[8] D. Felip dasilva, E. Garcia, Experimental determination of the effective thermal properties of a multi-layer insulation blanket, 22nd International congress of Mechanical Engineering, pp.5058-5066, 2013.
[9] W.L. Johnson, N.T.van Dresar, D.J. Chato, G.R. Demers, Transmissivity testing of multilayer insulation at cryogenics temperatures, Cryogenics, Vol.86, pp.70-79, 2017. 
[10] J.E. Fesmire, W.L. Johnson, Cylindrical cryogenic calorimeter testing of six types of multilayer insulation systems, Cryogenic, Vol.89, pp.58-75, 2018.
[11] M. Rahaghi, A. Jafari, M.Roshanfekr, Multi-layer Thermal Insulation (MLI) simulation using COMSOL Multiphysics software, National Conference on the use of CFD in the oil and gas industry, Vol.103,pp.865-878,2013.(in Persian)
[12] M. Marefat, A. Esmaili, Analysis of combined conduction-Radiation Heat Transfer in Multi-layer insulation, Amirkabir Journal of Science & Research, Vol.46, pp.17-19, 2014. (in Persian)
[13] H. Can, Z. Yue, Calculation of high-temperature insulation parameters and heat transfer behaviors of multi- layer insulation by inverse problems method, Chinese Society of Aeronautics and Astronautics, Vol.24, pp.791-796, 2014.
[14] T. Miyakita, R. Hatakenaka, H. Sugita, M. Saitoh, T. Hirai, Development of a new multilayer insulation blanket with non-layer-contact spacer for space cryogenic, Cryogenics, Vol.64, pp.112-120, 2014.
[15] C. Mengjun, Z. Ping, L. Qiang, Design and heat transfer analysis of a compound multilayer insulations for use in high temperature cylinder thermal protection systems, Technological Sciences, Vol.61, pp.1994-1002, 2018.
[16] M. Spinnler, R.F. Winter, R. Viskanta, Studies on high-temperature multilayer thermal insulations, International Journal of Heat and Transfer, Vol.47, pp.1305-1312, 2004.
[17] K. Daryabeigi, S. D. Miller, G.R. Cunnington, Heat transfer in high-temperature multilayer insulation, Cryogenics, Vol.45, pp. 221-229, 2000.
[18] B. Wang, Y.H. Huang, P. Li, P.J. Sun, Z.C. Chen, Optimization of variable multilayer insulation for cryogenic application and experimental validation, Cryogenics, Vol.80, pp.154-163, 2016.
[19] B.Deng, S.Yang, X.Xie, Study of the thermal performance of multilayer insulation used in cryogenic transfer lines, Cryogenic, Vol.100, pp.114-122, 2019. 
[20] E.M. Sparrow, R.D. Cess, Radiation Heat Transfer, Augmented Edition. McGraw- Hill, 1978.
[21] R. j. Corruccini, Gaseous heat conduction at low pressures and temperatures, Journal of Vacuum, Vol.7-8, 1959.
[22] B.Gebhart, Heat Conduction and Mass Diffusion, McGraw-Hill, New York, pp. 442- 444, 1993.
[23] A. Karamanos, A. Papadopoulos, D. Anastasellos, Heat transfer phenomena in fibrous insulating materials, Laboratory of Heat Transfer and Environmental Engineering, Department of Mechanical Engineering, 2004.
[24] S.L. Bapat, K.G. Narayankhedkar, T.P. Lukose, Performance prediction of multilayer insulation, Cryogenics, Vol.30, pp.700-710, 1990.