Badania numeryczne możliwości intensyfikacji wymiany ciepła z wykorzystaniem zjawiska streamingu akustycznego

• Autorzy: Machaj Krystian , Malecha Ziemowit
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przeprowadzono badania numeryczne streamingu akustycznego, wywołanego ścianą drgającą z częstotliwością 20 kHz oraz 40 kHz w kanale o przekroju prostokątnym. Częstotliwość oscylacji ściany dostosowano do długości kanału tak, aby wytworzyć sinusoidalną falę stojącą. Uśredniono przepływ w kanale i pokazano strukturę przepływu będącego streamingiem akustycznym. Dodatkowo wprowadzono różnicę temperatur między górną i dolną ścianą kanału. Pokazano, że streaming akustyczny intensyfikuje wymianę ciepła między ścianami kanału oraz że jego intensywność zwiększa się wraz z różnicą temperatury między ścianami. Wskazano również na potencjalne wykorzystanie badanego zjawiska do chłodzenia elektroniki w warunkach braku grawitacji (braku konwekcji naturalnej).

Słowa kluczowe

PL

konwekcyjna wymiana ciepła; streaming akustyczny; Computational Fluid Dynamics; efekt barokliniczny

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej
• Czasopismo: Zeszyty Energetyczne
• Rocznik: 2020
• Tom: T. 7
• Strony: 355--372
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Machaj Krystian

• Katedra Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska

autor

Malecha Ziemowit

• Katedra Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska

Bibliografia

• [1] Maggi F., Pallud C., Space agriculture in micro- and hypo-gravity: A comparative study of soil hydraulics and biogeochemistry in a cropping unit on Earth, Mars, the Moon and the space station, Planetary and Space Science 2010, 58(14-15), 1996-2007. DOI: 10.1016/j.pss.2010.09.025.
• [2] Mazareanu E., Number of avtive satellites by year 1957-2019, Statista, 23 January 2020.
• [3] McDowell J., Space Activities in 2019, https://www.planet4589.org/space/papers/space19.pdf (dostępny 12.01.2020).
• [4] Potrivitu G.C., Sun Y., Rohaizat M.W.A., Cherkun O., Xu L., Huang S., Xu S., A review of low-power electric propulsion research at the Space Propulsion Centre Singapore, Aerospace 2020, 7(6), 67. DOI: 10.3390/aerospace7060067.
• [5] Swanson T.D., Thermal control technologies for complex spacecraft, 13th International Heat Pipe Conference, 1 January 2004.
• [6] Raj C.R, Suresh S., Bhavsar R.R., Singh V.K., Govind K.A., Influence of fin configurations in the heat transfer effectiveness of Solid solid PCM based thermal control module for satellite avionics: Numerical simulations, Journal of Energy Storage 2020, 29, 101332, 1996-2007. DOI: 10.1016/j.est.2020.101332.
• [7] Liu T., Sun Q., Meng J., Pan Z., Tang Y., Degradation modeling of satellite thermal control coatings in a low earth orbit environment, Solar Energy 2016, 139, 467-474. DOI: 10.1016/j.solener.2016.10.031.
• [8] von Lukowicz M., Abbe E., Schmiel T., Tajmar M., Thermoelectric generators on satellites - an approach for waste heat recovery in space, Energies 2016, 9(7), 541. DOI: 10.3390/en9070541.
• [9] Vicente R., Nogues G., Niot J.M., Wiertz T., Contini P., Gardelein A., Impacts of laser cooling for low earth orbit observation satellites: An analysis in terms of size, weight and power, Cryogenics 2020, 105, 103000. DOI: /10.1016/j.cryogenics.2019.103000.
• [10] Czajkowski C., Nowak A.I., Błasiak P., Ochman A., Pietrowicz S., Experimental study on a large scale pulsating heat pipe operating at high heat loads, different adiabatic lengths and various filling ratios of acetone, ethanol, and water, Applied Thermal Engineering 2020, 165, 114534. DOI: 10.1016/j.applthermaleng. 2019.114534.
• [11] Delgado A., Performance modeling of the early external active thermal control system for the international space station,[w:] IECEC-97 Proceedings of the Thirty-Second Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (Cat. No.97CH6203), Honolulu, HI, USA, 1997, 1997, 1, 232-236. DOI: 10.1109/IECEC.1997.659190.
• [12] Baturkin V., Micro-satellites thermal control - concepts and components, Acta Astronautica 2005, 56(1-2), 161-170. DOI: 10.1016/j.actaastro.2004.09.003.
• [13] Rayleigh L., On the circulation of air observed in Kundt’s tube, and on some allied acoustic problem, Philosophical Transactions of the Royal Society of London 1884, 175, 1-21.
• [14] Wu J., Acoustic streaming and its applications, Fluids 2018, 3(4), 108. DOI: 10.3390/fluids3040108.
• [15] Piercy J.E., Lamb J., Acoustic streaming in liquids, Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences 1954, 226, 1164, 43-50.
• [16] Grotberg J.B., Volume-cycled oscillatory flow in a tapered channel, Journal of Fluid Mechanics 1984, 141, 249-264. DOI: 10.1017/S0022112084000823.
• [17] Gaver D.P., Grotberg J.B., An experimental investigation of oscillating flow in a tapered channel, Journal of Fluid Mechanics 1986, 172, 47-61. DOI: 10.1017/S0022112086001647.
• [18] Lighthill M.J., Biomechanics of hearing sensitivity, Journal of Vibrations and Acoustic 1991, 113, 1-13. DOI: 10.1115/1.2930149.
• [19] Lighthill M.J., Acoustic streaming in the ear itself, Journal of Fluid Mechanics 1992, 239, 551-606. DOI: 10.1017/S0022112092004531.
• [20] Amin N., The effect of g-jitter on heat transfer, Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences 1988, 419, 1856, 151-172.
• [21] Riley N., Steady streaming, Annual Review of Fluid Mechanics 2001, 33, 43-65. DOI: 10.1146/annurev.fluid.33.1.43.
• [22] Dreeben T.D., Chini G.P., Two-dimensional streaming flows in high-intensity discharge lamps, Physics of Fluids 2011, 23, 056101. DOI: 10.1063/1.3584816.
• [23] Lu H.F., Tien W.H., Comparison of acoustic streaming flow patterns induced by solid, liquid and gas obstructions, Micromachines 2020, 11(10), 891. DOI: 10.3390/mi11100891.
• [24] Lieu V.H., House T.A., Schwartz D.T., Hydrodynamic tweezers: Impact of design geometry on flow and microparticle trapping, Analytical Chemistry 2012, 84(4), 1963-1968. DOI: 10.1021/ac203002z.
• [25] Chen Y., Fang Z., Merritt B., Strack D., Xu J., Lee S., Onset of particle trapping and release via acoustic bubbles, Lab on a Chip 2016, 16, 3024-3032. DOI: 10.1039/C5LC01420D.
• [26] Ahmed D., Mao X., Juluri B.K., Huang T.J., A fast microfluidic mixer based on acoustically driven sidewall-trapped microbubbles, Microfluidics and Nanofluidics 2009, 7, 727-731. DOI: 10.1007/s10404-009-0444-3
• [27] Wang C., Jalikop S.V., Hilgenfeldt S., Efficient manipulation of microparticles n bubble streaming flows, Biomicrofluidics 2012, 6, 012801. DOI: 10.1063/1.3654949.
• [28] Huang P.H., Xie Y., Ahmed D., Rufo J., Nama N., Chen Y., Huang T.J., An acoustofluidic micromixer based on oscillating sidewall sharp-edges, Lab on a Chip 2013, 13, 3847-3852. DOI: 10.1039/C3LC50568E.
• [29] Komarov S., Yamamoto T., Role of acoustic streaming in formation of unsteady flow in billet sump during ultrasonic DC casting of aluminum alloys, Materials 2019, 12(21), 3532. DOI: 10.3390/ma12213532.
• [30] Lei J., Cheng F., Li K., Numerical simulation of boundary-driven acoustic streaming in microfluidic channels with circular cross-sections, Micromachines 2020, 11(3), 240. DOI: 10.3390/mi11030240.
• [31] Lyubimova T.P., Perminov A.V., Kazimardanov M.G., Stability of quasi-equilibrium states and supercritical regimes of thermal vibrational convection of a Williamson fluid in zero gravity conditions, International Journal of Heat and Mass Transfer 2019, 129, 406-414. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.09.112.
• [32] Chini G., Malecha Z., Dreeben T., Large-amplitude acoustic streaming, Journal of Fluid Mechanics 2014, 744, 329-351. DOI:10.1017/jfm.2014.61
• [33] Lin Y., Farouk B., Heat transfer in a rectangular chamber with differentially heated horizontal walls: Effects of a vibrating sidewall, International Journal of Heat and Mass Transfer 2008, 51(11-12), 3179-3189. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer. 2007.08.005.
• [34] Chase M.W., NIST-JANAF Thermochemical Tables, Journal of Physical and Chemical Reference Data Monographs, American Institute of Physics 1998, 9. DOI: 10.18434/T42S31.
• [35] Gill A.E., Donn W.L. (ed.), Atmosphere-Ocean Dynamics. International Geophysical Series. 30, CA: Academic Press, San Diego 1982.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).