Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Zestawienie uogólnionych równań dla konwekcji naturalnej w wybranych substancjach jednoskładnikowych podczas ich topienia i zestalania w obszarze prostokątnym

Rebow M., Domański R.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Konferencje

|

2002

|

T. 3, z. 22

1001-1010

PL

W pracy podjęto próbę zestawienia dostępnych danych eksperymentalnych, modeli analitycznych oraz uogólnionych równań dla konwekcji naturalnej w wybranych substancjach jednoskładnikowych podczas ich topnienia i zestalania w obszarze prostokątnym. Ujednolicono zapis tych równań oraz uściślono zakres ich stosowalności. Wskazano na główne problemy w stosowaniu tych korelacji i pokazano kierunki dalszych badań, przede wszystkim wykorzystujących nowoczesne metody wizualizacyjne.

EN

A review of the currently available experimental data, analytical models and experimental correlations for natural convection in some one component substances during their melting and solidification in rectangular enclosure is presented. Nomenclature and ranges of an application are specified. Special emphasis is put on appropriate characteristic length and geometry. Directions of further investigations using new full-field acquisitions techniques are pointed out.

2

Wiarygodność numerycznej symulacji złożonych zagadnień wymiany ciepła

Banaszek J., Rebow M.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Konferencje

|

2002

|

T. 1, z. 22

55-66

PL

Przedmiotem dyskusji jest analiza i ocena wiarygodności symulacji komputerowej zagadnień wymiany ciepła obejmujmujących przewodzenie, konwekcję i przemianę fazową ciecz-ciało stałe. W takich rozważaniach poszukuje się odpowiedzi na pytania czy model matematyczny, zawierający konieczne uproszczenia, poprawnie opisuje złożoną fizykę zjawisk i czy równania tego modelu zostały dostatecznie dokładnie rozwiązane analogiem numerycznym. Wykorzystuje się tu klasyczną analizę błędów modelu dyskretnego, porównanie z wzorcami obliczeniowymi i wynikami precyzyjnych eksperymentów. Dyskusję przeprowadzono na przykładzie dwóch różnych modeli numerycznych, tj. MES dla konwekcji naturalnej zamarzającej wody oraz różnicowego modelu symulującego pracę spiralnego magazynu ciepła. Pokazano, że w ocenie wiarygodności kodu symulacji numerycznej należy uwzględnić podstawowy ceł obliczeń i związany z nim stopień akceptowalnej dokładności, które narzucają zakres i precyzję badań eksperymentalnych służących weryfikacji kodu. Niespełnienie któregoś z tych kryteriów, nadmierne oczekiwania co do możliwości symulacji numerycznej i wiarygodności badań eksperymentalnych może prowadzić do błędnych wniosków.

EN

The paper focuses on some aspects of the validation of numerical predictions in complex fluid flow and heat transfer phenomena during solidification driven by conduction and natural convection. This credibility analysis consists of two processes. The verification of accuracy of calculations, which is based on grid refinement studies or/and comparisons with other available solutions, answers the question of how exactly equations of the mathematical model are solved by its discrete counterpart. Code validation analysis, which is carried out by extensively comparing numerical results with trustworthy experimental measurements, establishes the precision to which the mathematical model, with its inevitable simplifications, describes complex physics. In this context, two different numerical models for two different problems are analysed, i.e. the semi-implicit FEM model for free convection in a freezing water and the control-volume finite difference simulation of charging and discharging processes of a vertical spiral energy storage unit. Both these cases are also different in the expected degree of accuracy and, thus, in the experimental techniques used to validate their results. It is concluded that in order to avoid misinterpretations in the judgement of validity of numerical predictions one has to take into account a basic aim of calculations and a relevant level of their acceptable accuracy, which, in turn, define the necessary scopes and precision of experimental study used in the validation analysis. Moreover, it is shown that complex fluid flow and heat transfer phenomena occurring in a confined domain are very sensitive to thermal boundary conditions on boundary surfaces of the domain. Therefore, boundary conditions have to be carefully modelled in numerical calculations to match to the real conditions in the experiment. Particularly, the commonly used adiabatic model of the wall of low thermal conductivity should be avoided and the conjugate heat transfer should be rather solved where natural convection and liquid-solid phase transition inside the cavity are simultaneously analysed along with conduction through the cavity walls.

3

Experimental validation off FEM codes in solidification with natural convection

Rebow M., Banaszek J.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Konferencje

|

2002

|

T. 3, z. 22

983-990

EN

Basic discussion and some nomenclature are given in the relationship to the procedures of validation and verification of computer simulation codes. The main goal of this paper is to illustrate the application of detailed experimental data to compare and validate two selected FEM codes (a problem-oriented code written by one of the authors, and the commercial program FIDAP). Both are applied to calculate natural convection in freezing water (wdth density inversion effect) in a differentially heated square-cavity. Special attention is given to the application of full field acquisition techniques in order to get a dense set of experimental data (ice/water temporal front position, ice volume fractions and local transient velocity fields) that is exact and reliable enough to be a reference standard in comparison with numerical results.

4

Badania eksperymentalne konwekcji naturalnej w zamarzającej wodzie

Rebow M., Domański R.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Konferencje

|

2002

|

T. 3, z. 22

991-1000

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych procesu zamarzania wody w warunkach konwekcji naturalnej przy występowaniu pojedynczego i dwustronnego frontu fazowego w kuwecie prostopadlościennej z dwoma pionowymi ściankami izotermicznymi. Do wyznaczenia ilościowych charakterystyk przepływu w funkcji czasu zostały wykorzystane współczesne techniki pomiarowe oparte o cyfrową akwizycję i obróbkę obrazu - PIV (anemometria) i PIT (termometria). Zastosowane techniki pomiarowe pozwoliły na uzyskanie wyników ilościowych w postaci chwilowych położeń granicy rozdziału faz, pól temperatury i prędkości w centralnym przekroju kuwety. Zaproponowano nowe zależności kryterialne opisujące zmiany udziału fazy stałej (lodu) w funkcji bezwymiarowego czasu (Fo-Ste).

EN

Comprehensive understanding of the complex physical mechanisms in the moving boundary problems can be increased by the development of a detailed experimental study that provide the detailed qualitative and quantitative information about fluid flow and heat transfer effects in the melt dynamics. Experimental set-up has been designed and constructed where the following full-field acquisition techniques were applied to get precise information on local temperatures (Particle Image Thermometry - PIT) technique and velocities (Particle Image Velocimetry - PIV) in a differentially heated cubic cavity, filled with distillate water (including the temperature of the water density anomaly). Freezing of water was studied extensively to get detailed data of local temperature and velocity fields. ). It turned out that variation of the solidified volume fraction (ice) for different Ste numbers and parameter A can be presented as a function of time (Fo-Ste) in the case of two-directional freezing of water in the differential heated cavity. Thus, the experimental benchmark was created, which can be used as a reference standard in comparisons of diverse numerical models results for e.g. crystal growth, thermal energy storage systems (ice storage) or environmental problems associated with ice creation.

5

Konwekcja naturalna z przemianą fazową w układach jednoskładnikowych i binarnych

Banaszek J., Kowalewski T. A., Furmański P., Rebow M., Cybulski A., Wiśniewski T. S.

Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN

|

2000

|

nr 3

3-125

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i analiz teoretycznych konwekcji swobodnej w zamarzających układach jednoskładnikowych (woda, n-octadecan) i binarnych (wodne roztwory soli). Celem tych studiów było dokładniejsze, jakościowe i ilościowe, poznanie fizyki złożonych mechanizmów wymianu ciepła w procesach przemian fazowych ciecz-ciało stałe, występujących powszechnie w naturze i technice. Na zbudowanym stanowisku pomiarowym przeprowadzono wnikliwe badania procesu zamarzania czystej wody poprzez wizualizajcę chwilowych pól preędkości i temperatury, przy wykorzystaniu zawiesiny ciekłych kryształów jako cząstek wskaźnikowych, sekwencyjnej korelacji i komputerowej rejestracji obrazów przepływu oraz termografii w podczerwieni do pomiaru i rejestracji pola temperatury ścianek bocznych kuwety pomiarowej. Uzyskane szczegółowe obrazy struktury przepływu, pól prędkości i temperatury oraz chwilowych położeń granicy rozdziału faz dają obraz znaczącej roli konwekcji swobodnej w przebiegu analizowanego zjawiska. Mogą być też wykorzystane jako eksperymentalny wzorzec do weryfikacji dokładności i wiarygodności modeli symulacji komputerowej procesów przemian fazowych w układach jednoskładnikowych. Badania wizualizacyjne konwekcji swobodnej w zamarzających wodnych roztworach chlorku sodu pokazują stagnację przepływu w stanie ustalonym. W celu lepszego poznania przyczyn tego efektu dokonano pomiaru stężenia soli NaCl metodą sond rezystancyjnych z jednoczesną rejestracją pola prędkości oraz analizy frontu zmiany gęstości, wywołanej zmianą koncentracji NaCl, przy użyciu techniki smugowej Schlierena. Wstępne rezultaty pomiarów pola prędkości i koncentracji wskazują na wyraźną stratyfikację przepływu. Zaproponowano nową metodę opisu procesów wymiany ciepła i składnika w obszarze dwufazowym ("mushy zone"), pojawiającym wię przy krzepnięciu układów binarnych, w której makroskopowe, efektywne właściwości termofizyczne wyznaczone są na podstawie uśrednień po zbiorze różnych realizacji mikrostruktury ośrodka. Opracowano modele numeryczne i bibliotekę programów metody elementów skończonych do symulacji nieustalonych zjawisk krzepnięcia i topnienia z konwekcją w fazie ciekłej dla układów binarnych o złożonej, dwuwymiarowej geometrii. Oparto je na modelu pojedynczego kontinuum, teorii roztworów, entalpowym opisie procesu przemiany fazowej oraz modelowaniu obszaru dwufazowego jako anizotropowego medium porowatego. Obliczeniowo-efektywne algorytmy tych programów uzyskano przez zastosowanie sekwencyjnego i iteracyjnego rozwiązania sprzężonych układów równań zachowania masy, pędu, składnika i energii oraz różnych technik rozdziału w czasie. Wykorzystano je następnie w analizie wpływu anizotropii przepuszczalności i przewodności cieplnej oraz dyspersji ciepła na procesy transportu w obszarze dwufazowym, na przykładzie rozcieńczonych roztworów wodnych chlorku amonu.

EN

The paper presents results of both experimental and theoretical analyses of natural convection in solidifying one-component (pure water, n-octadecan) and binary (aqueous solutions of salt) systems. The main purpose of this study was to explicate qualitative and quantitative aspects of complex transport phenomena accompanying the solid-liquid phase transition of single- and two-component systems. Experimental set-up had been dessigned and constructed, where the visualization of temporal flow patterns and temperature fields in the solidifying pure water, enclosed in a cubic cavity, was then carried out for diverse thermal boundary conditions. Thermochrimic Liquid Crystals were there used as tracers along with the Particle Image Velocimetry and Thermometry techniques and the infrared thermography was applied to measure temperature distribution within the walls confining the experimental cavity. Thus obtained pictures of flow pattern, velocity and temperature fields and temporal positions of the interface show a significant influence of natural convection and thermal boundary conditions on the progress of the liquid-solid phase transition. Moreover, these detailed data of local temperature and velocity fields create the experimental benchmark, which can be used as a reference standart in the code validation procedure of various computer simulation models for the phase change phenomena of a one-component system driven by conduction and convection. Visualization of flow structure and temperature distribution in solidifying dilute solutions of water and sodium chloride shows the flow stagnation at the steady state. To clarify the phenomenon, this experimental analysis was supplemented with the estimation of the local solute concentration changes, through measuring the electrical resistance of the liquid by small electrodes placed in the fluid, and with the measurement of the liquid density changes through the use of the Schlieren's method. The preliminary results show the effect of flow stratification. New model of complex heat and species transport occurrin in the two-phase region ("mushy zone") was developed. The macroscopic equations (energy and solute conservation equations and the basic macroscopic constitutive relations) describing the process of solidification in binary systems were obtained on the basis of the ensemble averaging technique rather than via commonly used the volume averaging technique. In general these relations are non-local and they account for non-equilibrium processes. The state of the local thermodynamic equilibium was comprehensively discussed and formulae for enthalpy and porosity of the mushy zone were developed. Numerical models and their FEM programs have been created to simulate transient solid-liquid phase change phenomena with convercion in fluid for binary systems of complex two-dimensional geometry. They are based on the single continuum model, theory of mixtures, the enthalpy approach and the anisortopic porous medium model of the mushy zone. Computationally effective algorithms of these computer simulation codes were obtained through the use of the sequentional and iterative solution of the set of coupled mass, momentum, energy and species consevation equations and through the use of some time-splitting technique. Thus developed computational tool was applied to show the significant impact of permeability and thermal conductivity of the mushy zone and negligible influence of thermal dispersion on the transport processes occurring in the two-phrase region of the solidifying dilute solutions of water and ammonium chloride.

6

Badania spiralnego magazynu energii cieplnej

Domański R., Banaszek J., Rebow M.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Mechanika

|

1999

|

z. 181

39-51

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych spiralnego wymiennika ciepła wypełnionego woskiem PPW-20 i wykorzystanego jako jednostka magazynująca energię cieplną. Przeprowadzono analizę parametrów pracy takiego wymiennika ze szczególnym uwzględnieniem jego pojemności energetycznej, stopnia naładowania i czasów ładowania oraz rozładowania.

EN

Experimental investigations have been carried out in order to study complex heat transfer phenomena occuring in the parrafinwax PPW-20 during its melting or freezing in a spiral heat exchanger, and to determine quantitative thermal characteristics of this exchanger when it is used as a low temperature latent heat thermal energy storage unit.

7

Badania procesów wytwarzania i właściwości cieplnych wielowarstwowych powłok ochronnych, nakładanych techniką plazmową na części maszyn pracujące w ekstremalnych warunkach cieplnych i mechanicznych

Domański R., Mikoś M., Lisewski Z., Jaworski M., Rzeszutek L., Rebow M.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Inżynieria Materiałowa

|

1999

|

z. 10

25-37

PL

Praca obejmuje badania teoretyczne i eksperymentalne, dotyczące procesów wytwarzania, badania właściwości cieplnych oraz obciążeń cieplnych elementów maszyn pracujących w ekstremalnych warunkach cieplnych i mechanicznych. Przedstawiono wyniki badań dotyczących niszczących obciążeń cieplnych łopatki modelowej (silnik K15) z nałożoną warstwą Zr2O3 (prowadzone na specjalnym, oryginalnym stanowisku w Instytucie Lotnictwa), omówiono krótko nowe kierunki prac na temat warstw ochronnych z dodatkami molibdenu. Przedstawiono wyniki badań ciepła właściwego dla szeregu ceramik wykonanych z proszków firmowych. Omówiono uzyskane wyniki symulacji numerycznej dla łopatki silnika K15 (z warstwą ceramiki i bez) w warunkach odpowiadających obciążeniom cieplnym (AT = 700 K) i chłodzeniu. Stwierdzono, które elementy łopatki są narażone na największe obciążenia cieplne oraz jakie znaczenie ma wprowadzenie termicznych warstw ochronnych. Wykonano obliczenia obciążeń cieplnych (3D) dla różnych materiałów łopatki (w tym materiału hipotetycznego - przewidywany do wdrożenia w konstrukcjach lotniczych). Wykonano program do badania wnikania fal cieplnych w materiał oraz opracowano kod numeryczny pozwalający na uwzględnienie chłodzenia wewnętrznego realnej łopatki.

EN

This paper presents results of experimental and theorelical inwestigations of plasma spray ing multiliayers barrier coatings applying on machine elements working in extreme thermal and mechanical conditions. Destructive heat loads on the blade of K 15 engine with Zr2O3 layer were tested on the special experimental stand in Instytut Lotnictwa. The idea of the new Thermal--Barriers-Coatings (TBC) with the Iow friction factor was presented. The specific heat of the new metal ceramics was measured by DSC calorimeter. Results of the numerical simulation of the K15 engine blade (with or without ceramic layer) and the internal cooling for the thermal loading deltaT = 700 K were presented. Experimental and numerical results show that TBC give a chance to increase the working fluid temperature because of very high temperature drop at the ceramics layer.

8

Badania możliwości zwiększenia efektywności gospodarowania energią przy wykorzystaniu układów akumulujących energię cieplną

Domański R., Banaszek J., Rebow M.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Uczelniane Centrum Badawcze Energetyki i Ochrony Środowiska

|

1998

|

z. 2

185-194

PL

W pracy tej zaprezentowano koncepcję nowo zaprojektowanego magazynu energii cieplnej, w którym zastosowano spiralny wymiennik ciepła. Przedstawiono pierwsze wyniki badań ekspe- rymentalnych i numerycznych dotyczących procesów ładowania i rozładowania tego typu magazynu. Zmierzono temperaturę materiału magazynującego i czynnika roboczego (powietrza), oraz wyznaczono na tej podstawie stopień naładowania lub rozładowania magazynu w funkcji jego długości dla określonych czasów jego pracy. Na specjalnym stanowisku pomiarowym przeprowadzono badania eksperymentalne, których celem było określenie warunków występowania konwekcji swobodnej i ewentualnie ustalenie jej wpływu na intensyfikację procesów wymiany ciepła w poziomym walcowym pojemniku pierścieniowym dla różnych warunków brzegowo-początkowych. Do pomiaru pola temperatury badanego obszaru wykorzystano kamerę termowizyjną 900 SW/TE AGEMA. W pracy przedstawiono wyniki pomiarów objętości materiału stopionego w funkcji czasu dla różnych wartości liczby Stefana (Ste). Stwierdzono, że w rozważanym zakresie czasu objętość materiału stopionego zmienia się liniowo, przy czym szybkość topnienia zależy wyraźnie od liczby Stefana.

EN

The results of experimental and numerical investigations of the paraffin wax-air storage energy unit of the Archimedes spiral cylinder geometry are presented in this paper showing charging and discharging ratio of this unit. This kind of TES unit shows satisfactory heat transfer rate: charge ratio is equal to 92% for time equals 5.5 hours, while discharge ratio is equal to 89% for discharge time equals 4 hours. Heat transfer characteristics, including the convective flow driven by melting of subcooled phase change material (PCM) in the horizontal annuls gap, were experimentally studied. The inner cylinder was heated with a constant surface heat flux and the outer cylinder had a constant temperaturę. The history of the temperature field was measured with an infrared scanning system. It is shown in this paper that the contribution of natural convection in the melt region becomes significant as the Stefan number increases.

9

Badanie przepływów z konwekcją swobodną w ośrodkach jednorodnych i binarnych

Kowalewski T. A., Błogowska K., Rebow M., Banaszek J.

Prace Naukowe Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej. Konferencje

|

1998

|

Vol. 53, nr 9

425-432

PL

Przeprowadzono badania konwekcji naturalnej w wodnych roztworach chlorku soli, również w obecności przemiany fazowej (zamarzania wody). Badania dotyczą przepływu w niewielkim naczyniu sześciennym o dwóch pionowych izotermicznych ściankach przeciwległych. Pozostałe cztery ścianki wykonane są z materiału o niskim przewodnictwie cieplnym. Przeprowadzono pomiary pól temperatur i prędkości dla stanu konwekcji ustalonej jak i dla procesu tworzenia się lodu, dla czystej wody oraz roztworów soli o różnych koncentracjach wagowych. Pomiary wykonano metodą anemometrii i termometrii obrazowej (Particle Image Velocimetry & Thermometry), wykorzystując do wizualizacji zawiesinę ciekłokrystaliczną. Rezultaty badań dla konwekcji swobodnej wody porównano z rezultatami numerycznymi otrzymanymi dla dwuwymiarowego schematu opartego o metodę elementów skończonych, rozwiązując obok równań momentu pędu, sprzężony problem przewodnictwa cieplnego w cieczy i zamykających ją ściankach naczynia. Rezultaty pomiarów wskazują na złożony charakter przepływu, zależny od silnych efektów nieliniowych związanych z anomalią gęstości wody, oraz gradientu koncentracji składnika stałego (soli).

EN

The thermal convection of water and aqueous solution of sodium chloride (concentration 1.5% and 7%) is investigated experimentally and numerically in a cubic cavity, with two opposite vertical walls kept at prescribed temperature. The analysis is carried out of for the pure convection of water and its solute cold (wall temperature Tc=0 oC). The opposite hot wall temperature is fixed at Th=+5C, +10C and +15C. The time history of the velocity fields are measured using liquid crystals seeding. It was observed that the thermal boundary conditions of non-isothermal side walls have a triggering effect on the flow configuration. Investigated thermosolutal convection demonstrated transition from a double - circulation flow pattern observed for the pure water (Th=+10C and +15C) to the single, double roll circulation at the upper part of the cavity with a wide stagnant layer at the bottom. The Finite Element mode is used to simulate heat transfer and fluid flow in the water driven by heat conduction and buoyancy forces. The fixed grid algorithm is based on the semi-implicit operator splitting technique tied with the enthalpy - porosity approach. In the numerical investigations the adiabatic TBC have been tested successively.

10

Badanie procesów topnienia i krzepnięcia w warunkach konwekcji swobodnej przy wystepowaniu wielopłaszczyznowych frontów fazowych

Rebow M., Domański R., Kowalewski T. A.

Prace Naukowe Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej. Konferencje

|

1998

|

Vol. 53, nr 9

757-764

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych procesu krzepnięcia i topnienia w warunkach konwekcji swobodnej przy występowaniu wielopłaszczyznowych frontów fazowych. Do wyznaczenia ilościowych charakterystyk przepływu w funkcji czasu zostały wykorzystane współczesne techniki pomiarowe oparte o cyfrową akwizycję i obróbkę obrazu - DPIV i PIT. Badania przeprowadzono dla kuwety prostopadłościennej, której stosunek szerokości do wysokości wynosił 1,5. Dwie przeciwległe, pionowe ścianki tej kuwety były utrzymywane w stałej temperaturze. W przypadku krzepnięcia wody, temperatura ta wynosiła - 10 st.C. lub -15 st.C, a kuweta była wypełniona wodą w całej objętości lub w 3/4. W przypadku topnienia lodu temperatura ścianek izotermicznych wynosiła + 10 st.C. W pracy pokazano różnice w rozchodzeniu się podwójnego frontu fazowego, objętości fazy stałej (lodu) i struktury przepływu (pola prędkości) dla przebadanych przypadków.

EN

An analysis is carried out for the solidification and melting of water in the parallelepiped-shaped enclosure. Two opposite, vertical walls of the enclosure are isothermal at temperatures Ts. The other four walls are nominally insulators of finite thermal diffusivity. For the solidification, cold walls temperature is set below the freezing point (Tc=-10 C or -15 C), the ice layers start to grow there. For the melting, hot walls temperature is equal to Th=+10 C. Due to the temperature difference between the isothermal walls and ice natural convection develops in the cavity. For flow visualisation, seeding with thermochromic liquid crystals is used. This allows instantaneous measurement of the velocity and temperature for 2D cross-sections of the cavity, using Particle Image Velocimetry and Particle Image Thermometry.