Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Analysis of cooling of the exhaust system in a small airplane by applying the ejector effect

Złoty Ł., Łapka P., Furmański P.

Journal of Power Technologies

|

2018

|

Vol. 98, nr 1

121--126

EN

This paper presents a thermal analysis of elements of the exhaust system of the redesigned airplane I-23. In order to improve the thermal performance of the exhaust system and decrease thermal loads inside the engine bay, modifications of the initial geometry of the cover pipe were proposed. This pipe shields the nacelle interior from thermal interaction and direct contact with the hot exhaust pipe. Several openings were created in its wall to increase the mass flow rate of the cold air sucked in from the nacelle interior to the gap between the exhaust pipe and its cover due to the ejector effect. Then numerical models were developed and simulations for flight conditions were carried out for the original and modified exhaust systems. The results obtained for both geometries were compared, showing that openings in the cover duct resulted in a high mass flow rate flowing through the gap between exhaust pipe and its cover and a lower exhaust pipe temperature. Even though the number, locations and cross-section area of the openings were selected arbitrarily, better thermal performance was obtained for the modified exhaust system.

2

Modelling of a micro-channel heat sink for cooling of high-power laser diode arrays

Furmański P., Thualfaqir K., Łapka P.

Archives of Thermodynamics

|

2018

|

Vol. 39, no 3

15--27

EN

Micro-channel heat sinks are used in a wide variety of applications, including microelectronic devices, computers and high-energy-laser mirrors. Due to the high power density that is encountered in these devices (the density of delivered electrical power up to a few kW/cm2 ) they require efficient cooling as their temperatures must generally not exceed 100 °C. In the paper a new design for micro-channel heat sink (MCHS) to be used for cooling laser diode arrays (LDA) is considered. It is made from copper and consisting of 37 micro-channels with length of 9.78 mm, width of 190 µm and depth of 180 µm with the deionized water as a cooling medium. Mathematical and numerical models of the proposed design of the heat sink were developed. A series of thermofluid numerical simulations were performed for various volumetric flow rates of the cooling medium, its inlet temperature and different thermal power released in the laser diode. The results show that the LDA temperature could be decreased from 14 to 17% in comparison with earlier proposed design of the heat sink with the further drop in temperature obtained by applying indium instead of gallium arsenide as the soldering material between the LDA and MCHS interface. Moreover, it was found that the maximum temperature, and therefore the thermal resistance of the considered heat sink, could be decreased by increasing the coolant flow rate.

3

Investigation of thermal interactions between elements of propulsion system and selected parts of the airplane skin in small aircrafts

Łapka P., Seredyński M., Furmański P.

Archives of Thermodynamics

|

2018

|

Vol. 39, no 3

45--61

EN

Development of new or upgrading of existing airplanes requires many different analyses, e.g., thermal, aerodynamical, structural, and safety. Similar studies were performed during re-design of two small aircrafts, which were equipped with new turboprop engines. In this paper thermo-fluid analyses of interactions of new propulsion systems with selected elements of airplane skin were carried out. Commercial software based numerical models were developed. Analyses of heat and fluid flow in the engine bay and nacelle of a single-engine airplane with a power unit in the front part of the fuselage were performed in the first stage. Subsequently, numerical simulations of thermal interactions between the hot exhaust gases, which leave the exhaust system close to the front landing gear, and the bottom part of the fuselage were investigated. Similar studies were carried out for the twin-engine airplane with power units mounted on the wings. In this case thermal interactions between the hot exhaust gases, which were flowing out below the wings, and the wing covers and flaps were studied. Simulations were carried out for different airplane configurations and operating conditions. The aim of these studies was to check if for the assumed airplane skin materials and the initially proposed airplane geometries, the cover destruction due to high temperature is likely. The results of the simulations were used to recommend some modifications of constructions of the considered airplanes.

4

Zastosowanie dwurównaniowego modelu transportu ciepła w skórze do oceny charakterystyk cieplnych ubrań ochronnych

Łapka P., Furmański P.

Przemysł Chemiczny

|

2017

|

T. 96, nr 2

343--347

PL

Przedstawiono zaawansowany model matematyczny i numeryczny transportu energii przez ubrania ochronne oraz przez wierzchnie warstwy tkanki. Model uwzględniał przekazywanie ciepła przez przewodzenie oraz promieniowanie w porowatych warstwach tekstylnych o spektralnych właściwościach optycznych oraz szczelinach powietrznych, któremu towarzyszył transport dyfuzyjny wilgoci przez pory i przestrzenie powietrzne oraz procesy sorpcji i desorpcji ciekłej wody przez włókna tkaniny. Z kolei w skórze i mięśniach zasymulowano nierównowagowy transport ciepła pomiędzy tkanką i krwią tętniczą za pomocą modelu dwurównaniowego oraz zmienną prędkość perfuzji krwi. Otrzymane wyniki posłużyły do oceny wpływu wielkości strumienia ciepła oraz czasu ekspozycji na stopień oparzenia skóry oraz właściwości ochronne ubrań.

EN

Energy transfer in protective clothing and in superficial skin tissue was math. and numerically modeled assuming assuming heat conduction and non-gray thermal radiation in the porous textile layers and air gaps accompanied by water vapor diffusion in pores and air spaces as well as sorption and desorption of liq. water from fabric fibers. Non-equil. heat transfer between the tissue and arterial blood as well as variable blood perfusion rate were simulated in the skin and muscle applying two-equation bioheat transfer model. The results were used to access influence of the heat flux changes and exposition time on degree of skin burns and protective performance of garments.

5

Analysis of a hydro-osmotic power plant using a simple mathematical model

Furmański P., Saleh S. A.-A., Łapka P.

Journal of Power Technologies

|

2017

|

Vol. 97, nr 5

395--405

EN

Osmotic energy created by salinity gradient is a novel energy source. The chemical potential difference of two liquids with dissimilar salinities can be used to generate a flow of water across a semi-permeable membrane. The Pressure-Retarded Osmosis (PRO) concept controls the flow of the water across the membrane and contributes to the production of electrical energy with a hydraulic turbine. This study describes a simple mathematical model for evaluating the effectiveness of application of the PRO process in a hydro-osmotic power plant. The influences of pressures and salt concentrations of the inlet streams as well as the concentration polarization across the membrane on the membrane power density and plant efficiency were investigated. The effects of liquid temperature and membrane characteristics (water and salt permeability) on power plant performance were also studied.

6

Walidacja modelu przepływu ciepła i wilgoci przez ubiór ochronny

Łapka P., Furmański P., Bugaj M. A., Cieślikiewicz Ł., Pietrak K., Kubiś M., Wiśniewski T. S.

Zeszyty Naukowe SGSP / Szkoła Główna Służby Pożarniczej

|

2016

|

Nr 58 (tom 2) (2)

231--251

PL

W artykule przedstawiono zaawansowany model matematyczny i numeryczny transportu ciepła i masy w wielowarstwowych ubraniach ochronnych, które były poddane działaniu wysokiej temperatury otoczenia lub dużych radiacyjnych strumieni ciepła emitowanych przez gorące ciała. Zaproponowany model uwzględniał przewodzenie ciepła i promieniowanie cieplne w warstwach tkaniny o spektralnych właściwościach optycznych i w szczelinach powietrznych oraz transport energii związany z dyfuzją wilgoci przez ubranie ochronne oraz z procesami sorpcji i desorpcji wody w włóknach tkaniny. Dodatkowo do modelu włączono złożone warunki bilansu energii i masy oraz warunki optyczne na granicach warstw tkaniny. Do rozwiązania równań modelowych opracowano autorski iteracyjny algorytm numeryczny, który bazował na metodzie objętości kontrolnych. Następnie przeprowadzono analizę walidacyjną zaproponowanego modelu obliczeniowego poprzez porównanie otrzymanych wyników z wynikami pomiarów eksperymentalnych dla wybranego pakietu ubrania ochronnego ogrzewanego przez krótki czas radiacyjnym strumieniem ciepła emitowanym przez promiennik podczerwieni, a następnie chłodzonego w otoczeniu. Otrzymano dobrą zgodność czasowych przebiegów temperatury, co potwierdziło wiarygodność zaproponowanego modelu.

EN

An advanced mathematical and numerical model of heat and mass transfer in the multi-layer protective clothing, which was exposed to either high temperature environment or to high incident radiative heat flux emitted by hot objects was presented in this paper. The developed model accounted for heat conduction and thermal radiation in a non -grey layers of the protective garment. Additionally, heat transport associated with water vapour diffusion through the protective clothing and with sorption and desorption of liquid water in the fabric fibres were included. Complex energy and mass balances as well as optical conditions at the external and internal interfaces between clothing layers were formulated and incorporated into the model. A novel iterative numerical algorithm which was based on the Finite Volume Method was developed to solve the system of governing equations. Finally, the validation analysis of the model was carried out for selected multi-layer clothing which was exposed for a short time to radiative heat flux emitted by an infrared emitter and then cooled down in the surroundings. The simulated and experimentally measured time variations of temperatures were in good agreement, therefore the accuracy of the proposed model was validated.

7

Badanie wpływu rodzaju ubioru na jego właściwości ochronne

Furmański P., Łapka P.

Zeszyty Naukowe SGSP / Szkoła Główna Służby Pożarniczej

|

2016

|

Nr 58 (tom 2) (2)

207--230

PL

W artykule omówiono kryteria oceny właściwości ochronnych ubiorów strażackich oparte o przewidywany stopień oparzenia i wykorzystanie temperatury powierzchniowych warstw skóry. Przedstawiono metody oceny tych właściwości bazujące na pomiarach temperatury przeprowadzanych na manekinach i specjalnie zaprojektowanych stanowiskach pomiarowych wykorzystujących próbki ubiorów ochronnych. Szczególną uwagę zwrócono na metodę opartą o symulację numeryczna procesów wymiany ciepła i wilgoci w ubiorach ochronnych warstwach powietrznych oddzielających jego poszczególne warstwy oraz w skórze. Omówiono zalety i wady zarówno metod eksperymentalnych, jak i teoretycznej oceny właściwości ochronnych ubioru. Krótko streszczono rodzaje materiałów stosowanych na warstwy ubioru ochronnego i ich właściwości cieplne, radiacyjne i dyfuzyjne. Na podstawie symulacji numerycznej różnych sposobów wymiany ciepła w ubiorze ochronnym wykazano, że największą rolę odgrywa w niej przewodzenie ciepła i promieniowanie cieplne. Przeprowadzano symulacje numeryczne przepływu ciepła przez trzy ubiory ochronne wykonane z warstw różnych materiałów. Wykazano, że ubiory te różnią się, przy zadanym obciążeniu cieplnym, zarówno przewidywanym wzrostem temperatury przypowierzchniowych warstw skóry jak stopniem oparzenia. Zbadano również wpływ grubości szczelin powietrznych między warstwami ubioru oraz między wewnętrzną powierzchnią ubioru i skórą wykazując istotny wpływ tej ostatniej szczeliny na przewidywany stopień oparzenia.

EN

Criteria for evaluation of protective properties of firefighters clothing were presented in the paper. They were based on a degree of predicted skin burns and determination of temperature of the skin surface layers. Methods of the skin temperature measurements using mannequins and specially designed experimental stands containing samples of the protective clothing were described. Special attention was directed toward numerical simulation of heat and moisture transfer across layers of the protective clothing as well as via the air spaces separating them and the human skin. Advantages and disadvantages of the experimental and theoretical methods were briefly discussed. Types of textiles used for the separate layers of the protective clothing together with their thermal radiative and diffusive properties were presented. Numerical simulations indicate that heat conduction and thermal radiation play the most important role in heat transfer across the protective clothing. The numerical simulations were also carried out for three kinds of the protective clothing made from layers of different textiles. It was shown that these clothing differ in the predicted skin temperature values and burn degree for the same thermal load applied. Effect of changing thickness of the air spaces between textile layers and the skin on the burn degree was also studied. It was proved that the latter air space exerts significant influence on the predicted burn degree.

8

Wpływ dodatków mineralnych na właściwości zapraw z cementu glinowego

Kotwica Ł., Łapka P.

Cement Wapno Beton

|

2016

|

R. 21/83, nr 3

191--198

PL

W artykule badano wpływ mielonego granulowanego żużla wielkopiecowego oraz krzemionkowego popiołu lotnego na hydratację i właściwości zapraw z cementu glinowego. Oba te składniki stosowano jako dodatek (20%) oraz zamiennik cementu glinowego (10%, 20% i 30%). Uzyskane wyniki pokazały, że zastosowanie żużla oraz popiołu jako zamiennika cementu powoduje zmniejszenie wytrzymałości zapraw nawet do 40%. Dodatkowo obserwuje się przyśpieszenie procesu konwersji. Prawdopodobnie jest to spowodowane wzrostem efektywnego stosunku wodno/cementowego. Wprowadzenie popiołu jako dodatku powoduje nieznaczne zmniejszenie wytrzymałości, mniejsze jednak niż w przypadku zamiany oraz przyspiesza konwersję. Oznacza to, iż poza zmianą efektywnego stosunku w/c jest również inna przyczyna przyśpieszająca. Dodatek żużla do cementu glinowego poprawia wytrzymałości zapraw w dłuższym okresie, co wiązać można z hydraulicznymi właściwościami tego dodatku. Porównanie wpływu żużla i popiołu lotnego z mielonym kwarcem stanowiącym dodatek inertny pokazało, iż oba badane materiały wykazują się bardziej korzystnym w porównaniu z kwarcem wpływem na wytrzymałość zapraw z cementu glinowego.

EN

Paper presents the influence of ground granulated blast furnace slag and siliceous fly ash on hydration and properties of calcium aluminate cement mortars. Both materials were introduced to the mortars as addition (20%) as well as replacement (10%,20% and 30%) of calcium aluminate cement. Results showed, that use of slag as well as fly ash as replacement of cement results in decrease of compressive strength of mortars up to 40%. Furthermore, acceleration of conversion process has been observed. Most probably it is due to increase of effective water/cement ratio. Introduction of fly ash as addition results in slight decrease in strength, however smaller comparing to the one in case of cement replacement. Addition of fly ash also causes acceleration of conversion process. It means, that except the change of w/c ratio, another mechanism promoting conversion process is present. Presence of slag as an addition to cement improved long term strength of mortars, that can be connected with its hydraulic properties. Comparison of influence of slag and fly ash with the influence of ground quartz, which is inert additive, has showed, that both investigated materials influence strength of calcium aluminate mortars more favorably than quartz does.

9

Micro-macro model for prediction of local temperature distribution in heterogeneous and two-phase media

Furmański P., Seredyński M., Łapka P., Banaszek J.

Archives of Thermodynamics

|

2014

|

Vol. 35, no. 3

81--103

EN

Heat flow in heterogeneous media with complex microstructure follows tortuous path and therefore determination of temperature distribution in them is a challenging task. Two-scales, micro-macro model of heat conduction with phase change in such media was considered in the paper. A relation between temperature distribution on the microscopic level, i.e., on the level of details of microstructure, and the temperature distribution on the macroscopic level, i.e., on the level where the properties were homogenized and treated as effective, was derived. The expansion applied to this relation allowed to obtain its more simplified, approximate form corresponding to separation of micro- and macro-scales. Then the validity of this model was checked by performing calculations for 2D microstructure of a composite made of two constituents. The range of application of the proposed micro-macro model was considered in transient states of heat conduction both for the case when the phase change in the material is present and when it is absent. Variation of the effective thermal conductivity with time was considered and a criterion was found for which application of the considered model is justified.

10

Parallel solution of two-dimensional conjugated radiative-conductive heat transfer problem

Łapka P., Furmański P.

Turbulence : international journal

|

2007

|

Vol. 12

149-168

EN

In this paper a two-dimensional conjugated heat transfer both by radiation and conduction in the thermal lightweight insulation layer was investigated. It was assumed that the radiation might be emitted, absorbed and isotropically scattered inside the gray medium. Its walls were opaque, absorbing, emitting and reflecting diffusively. The Alternating Direction Implicit Method and the Finite Volume Method were used for solution of heat conduction equation and radiative transfer equation, respectively. At first the problem was solved sequentially and then by applying the Domain Decomposition Method. Parallel calculations were carried out for two and four sub-domains. Influence of different factors on differences between the results obtained from the parallel computing and from the sequential calculations, on parallel computing efficiency as well as on number of iterations required for heat conduction equation to be effectively solved were studied in this paper.

11

Badania współczynnika przewodzenia ciepła izolacji kadłuba turbiny oraz analiza jego wpływu na pola temperatury i naprężeń

Wiśniewski T., Łapka P., Miścicki M., Seredyński M., Furmański P.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Konferencje

|

2007

|

T. 2, z. 25

679-686

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań współczynnika przewodzenia ciepła wełny mineralnej zastosowanej do izolacji kadłuba WP turbiny parowej. Przeprowadzono również obliczenia numeryczne pól temperatury kadłuba i izolacji oraz pola naprężeń i wartości wydłużeń kadłuba WP turbiny parowej o mocy 25 MW, badając wpływ zmiany współczynnika przewodzenia ciepła na te pola. Pomiary współczynnika przewodzenia ciepła prowadzono przy użyciu układu pomiarowego skonstruowanego w Zakładzie Termodynamiki Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej, będącym implementacją jednopłytowego aparatu Poensgena. Specjalna konstrukcja układu pozwala na pomiar przy zadanej zawartości wilgoci w próbce. Przeprowadzono badania współczynnika przewodzenia ciepła w funkcji objętościowej zawartości wilgoci w izolacji; od O do 10%. Współczynnik całkowicie suchej badanej izolacji (o średniej gęstości 216 kg/m3) wynosił lambda20 =0,072 W/(m-K). Obecność wilgoci - w postaci ciekłej - znacznie pogorszyła właściwości izolacyjne badanej wełny mineralnej (w temperaturze 20°C) - do ponad 0,11 W/(m-K) - przy udziale objętościowym wody 10%. Przeprowadzono analizę zmian współczynnika przewodzenia ciepła izolacji kadłuba turbiny podczas jej rozruchu. W średniej temperaturze pracy izolacji równej 230°C współczynnik przewodzenia ciepła wełny o gęstości 100 kg/m3 wynosi 0,071 W/(m-K), natomiast współczynnik przewodzenia ciepła wełny o gęstości 216 kg/m3 wynosi 0,121 W/(m-K). Obecność pary wodnej zamiast powietrza nieznacznie zmniejsza współczynnik przewodzenia ciepła badanej izolacji. Obecność fazy ciekłej wyraźnie zwiększa współczynnik przewodzenia ciepła izolacji, ale ma to mieć miejsce sporadycznie w stanach awaryjnych. Istotny wpływ na współczynnik przewodzenia ciepła izolacji ma jej gęstość. Stosowanie granulatu wełny mineralnej może powodować w praktyce znaczne zwiększenie jej gęstości w stosunku do wartości projektowanej i istotny wzrost współczynnika przewodzenia ciepła.

EN

The results of nwestigations of thermal conductivity of steam turbine insulation are presented. The conductivity of mineral wool samples (density 216 kg/m3), with volumetric water contents increased from 0 to 10%, was measured in special experimental stand. It was found, that the conductivity increased from lambda20 = 0,072 W/(m-K) to lambda20 = 0,11 W/(m-K). Thermal conductivity of the insulation at 230°C, i.e. average temperature of the insulation during operation of the turbine was calculated as lambda230= 0,07 W/(m-K) for density 100 kg/m3 and lambda230= 0,12 W/(m-K) for density 216 kg/m3. Presence of steam in the mineral wool - instead of air - slightly decreases thermal conductivity. Numerical analysis of the influence of thermal conductivity of insulation on temperature, stress and displacement fields in the 25 MW steam turbine body are presented. FLUENT and ANSYS codes were used for calculations. It was found that increase in thermal conductivity of insulation (from 0,07 to 0,12 W/(m-K)) does not affect displacement and stress field. Temperature of external surface of insulation increases by 8°C.

12

Analiza numeryczna pól temperatury i naprężeń w kadłubie turbiny parowej

Seredyński M., Łapka P., Miścicki M., Wiśniewski T.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Konferencje

|

2007

|

T. 2, z. 25

507-516

PL

W pracy wykonano obliczenia rozkładu temperatury w kadłubie i izolacji turbiny parowej o mocy 25 MW oraz naprężeń i przemieszczeń w kadłubie tej turbiny. Badany był wpływ lokalnego wychłodzenia w dolnej części komory wlotowej na powstanie koncentracji naprężeń termicznych oraz wynikającą z tego możliwość zniekształcenia kadłuba. W przypadku odpowiednio dużych odkształceń może wystąpić otarcie kadłuba przez wirnik, a tym samym uszkodzenie turbiny. Wynika stąd potrzeba oszacowania drogą numeryczną potencjalnego zagrożenia uszkodzeniem, wynikającego z miejscowego f wychłodzenia kadłuba. Analizę numeryczną przeprowadzono dla dwóch różnych wartości współczynnika przewodzenia ciepła izolacji kadłuba, uwzględniając możliwość nieprawidłowego pfiontażu i zawilgocenia izolacji [1]. Na podstawie dostępnej dokumentacji stworzono przybliżony model geometrii kadłuba turbiny i izolacji, który następnie został dyskretyzowany metodą objętości kontrolnych. Zagadnienie zostało rozwiązane przy wykorzystaniu kodów komercyjnych FLUENT i ANSYS. Dla nominalnych warunków pracy turbiny, uzyskane wyniki obliczeń pozostają w dobrej zgodności z wynikami pomiarów temperatury w wybranych miejscach kadłuba oraz z wartościami przemieszczeń wzdłużnych. Stwierdzono, iż pogorszenie właściwości izolacji nie powoduje znaczącej zmiany przemieszczeń i naprężeń kadłuba. Lokalne wychłodzenie dna kadłuba powoduje natomiast znaczne lokalne zwiększenie naprężeń.

EN

In present work temperature, stress and displacement fields in the 25 MW steam turbine body are presented. Influence of the internal local cooling of intake part of the turbine body due to steam condensation on the stress and deformations is investigated. The material properties were assumes the same as for cast steel. Two values of the thermal conductivity of insulation, namely 0,07 W/(m.K) and 0,12 W/(m.K) were considered during calculations. The approximate geometrical model of the body was developed and domain was discretized by the control volumes approach. The thermal analysis as well as strain and stress analysis were performed applying commercial code FLUENT and ANSYS, respectively. Passing a mesh between these programs, due to different storage format, needed using of own translating programs. Obtained temperatures and the turbine body expansion are in good agreement to measurements. It was found that increases in thermal conductivity of insulation is not affecting displacement and stress field. However, strong thermal stresses in the bottom parts of intake part of the body are the effect the local cooling of the turbine body and can lead to damage of turbine body.

13

Detection of structural defects in materials through infrared methods

Furmański P., Łapka P., Wiśniewski T.

Archives of Thermodynamics

|

2007

|

Vol. 28, no. 4

19-40

EN

A review of infrared methods used for non-destructive testing of material defects is presented. Some experimental studies with the long wavelength IR camera are carried out when the pulse heating is used. Then the thorough theoretical analysis of the defect detectability with the use of the pulse thermography is performed. A sample with a two-dimensional defect with a rectangular cross-section is considered. Influence of different way of sample heating on thermal contrast is investigated for two materials with widely varying thermal properties.

14

Parallel computation of conjugated radiative-conductive heat transfer in thermal insulation layer

Łapka P., Furmański P.

Archives of Thermodynamics

|

2006

|

Vol. 27, no. 2

55-80

EN

In this paper the parallel computing of conjugated heat transfer both by radiation and conduction in a two-dimensional lightweight thermal insulation layer was analysed. It was assumed that the medium can emit, absorb and isotropically scatter radiation. Its walls were opaque, absorbing, emitting and reflecting diffusively. At first, the problem was numerically solved by carrying out the sequential calculations. The radiative transfer equation was discretised by the Finite Volume Method. For the heat conduction equation the Alternating Direction Implicit Method was applied. Next the Domain Decomposition Method was used to perform the parallel calculations by dividing the whole domain into two and four sub-domains. Influence of different factors on differences between the results obtained from the parallel computing and from the sequential calculations were studied. Finally, the parallel computing speed up and efficiency were analysed together with factors affecting them.