Numerical Modeling for Performance Prediction of Standing Wave Thermoacoustic Systems

Numerical Modeling for Performance Prediction of Standing Wave Thermoacoustic Systems. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
MS Thesis [g201706530].pdf
Restricted to Repository staff only until 27 February 2021.

Download (4MB)

Arabic Abstract

تَستخدم الأجهزة الصوتية الحرارية موجات صوتية عالية الكثافة وحرارة في شكل تدرج حراري عبر وسط مسامي ‏لنقل الطاقة، ويمكن تصنيفها كمحركات أو مبردات. هذه الأجهزة محدودة في كفاءتها أو أدائها بسبب احتوائها على ‏درجة عالية متأصلة من عدم القابلية للانعكاس في عملها وهو عائق رئيسي في تصنيع هذه الأنظمة. وقد أدى ذلك إلى ‏بذل جهود مركزة في الماضي القريب لتحليل وتحسين أداء هذه الأجهزة. أثبتت أدوات النمذجة العددية قدرتها على التنبؤ ‏بدقة بأداء هذه الأجهزة من خلال التقاط العناصر اللاخطية المتأصلة بنجاح وتستخدم على نطاق واسع لتصميم هذه ‏الأجهزة. ‏ يهدف العمل الحالي إلى التنبؤ بأداء الأجهزة الصوتية الحرارية ذات الموجة الموقوفة باستخدام تقنيات النمذجة الرقمية. ‏في البداية ، تم إجراء مراجعة تفصيلية للنمذجة التحليلية والعددية المتعلقة بالأجهزة الصوتية الحرارية ذات الموجة ‏الموقوفة . في المرحلة التالية ، تم تطوير نموذج عددي أحادي الأبعاد للثلاجة الحرارية ذات الموجة الموقوفة ‏‏(‏SWTAR‏) ، استنادًا إلى النظرية الصوتية الحرارية الخطية. حققت ‏SWTAR‏ المطورة انخفاضًا في درجة الحرارة قدره ‏‏34 كلفن و 10 واط حمولة مع معامل الأداء (‏COP‏) يبلغ 1.264 بناءً على نتائج النموذج المطوَّر ، أجريت دراسة ‏حساسية باستخدام طريقة معامل الحساسية عديم الأبعاد (‏NSC‏) لثلاثة معايير أداء مهمة ، مثل حاصل انخفاض درجة ‏الحرارة المتحقق (‏ΔT‏) ومعامل الأداء ‏COP‏ معامل الأداء النسبي (‏COPR‏). لقد وجد أن جميع المعايير الناتجة هي ‏الأكثر حساسية للتغييرات الصغيرة في سعة الضغط المتذبذب (‏p1‎‏).تم تسجيل أكبر قيمة لمعامل الحساسية عديم الأبعاد ‏NSC‏ فيما يتعلق بسعة الضغط المتذبذب 1‏p‏ لجميع الحالات مع أقصى قيمة تم الحصول عليها للتدرج الحراري ‏ΔT ‎‏ ‏‏24.12 وقيمة 17.92 لمعامل الأداء النسبي ‏COPR‏.‏ ‏ في المرحلة الثالثة ، تم تطوير نموذجين ‏CFD‏ مبسطين للمحرك الصوتي الحراري ذي الموجة الموقوفة (‏SWTAE‏) و ‏SWTAR‏. تمت محاكاة أدائهما باستخدام برنامج ‏ANSYS Fluent‏ وتم التحقق من صحة النتائج من خلال مقارنتها ‏بالنتائج المنشورة. في المرحلة الأخيرة ، تم تحليل تأثير الحزمة غير المتجانسة على أداء ‏SWTAR‏ باستخدام مجال حل ‏تم تحسينه للنموذج المبسط المطوّر. وقد تم محاكاة تسع حالات لتحليل الأداء ثم تم التحقق بالتفصيل في جانبين مختلفين ‏من الحزمة غير المتجانسة ، وهما مجموعات المواد المختلفة والأطوال المختلفة للطبقات التي بداخل الحزمة من حيث ‏انخفاض درجة الحرارة الحاصلة في المبادل الحراري البارد ‏‎〖∆T〗_CHx‏ و متوسط معدل تدفق الطاقة ‏‎〈E ̇_y 〉_t‏ ‏التي تم امتصاصها بواسطة الحزمة ومعامل الأداء (‏COP‏). من بين جميع مجموعات مواد الحزمة الغير المتجانسة التي ‏تم فحصها ، أعطت التوليفات التي تحتوي على الكربون المعاد تدويره (‏RVC‏) بصفتها طبقات محزمة جانبية أفضل ‏النتائج. أظهر أداء ‏Celcor‏ المستندة إلى توليفة ‏RVC‏ ، مقارنةً بحزمة ‏Celcor‏ المتجانسة ، زيادة في ‏‎〖∆T〗_CHx‏ ‏بنسبة 26.14٪ ، وانخفاض في استهلاك ‏‎〈E ̇_y 〉_t‏ بنسبة 4.55٪ وتحسن في معامل الأداء ‏COP‏ بنسبة 5.12٪. ‏علاوة على ذلك ، أدت الزيادة في طول طبقة مواد الحزمة الجانبية إلى زيادة في قيم كل من ‏‎〖∆T〗_CHx‏ و ‏COP‏. ‏نظراً لزيادة طول مادة الحزمة الجانبية من نصف إلى ثلاثة من إزاحات الجسيم ، فقد تحسنت نتائج ‏‎〖 ∆T〗_CHxو ‏COP‏ بنسبة 72.91٪ و 14.12٪ على التوالي.‏ وبالتالي يمكن استنتاج أن وجود طبقات من مواد مختلفة داخل الحزمة يقوم بتحسين أداء ‏SWTAR‏ بشكل ملحوظ ، مما ‏يؤدي إلى تراتيب متباينة الخواص للناقلية الحرارية. الحزم غير المتجانسة تقوم بتوفير درجات حرارة أقل لعملية ‏التبريد ، وتستهلك طاقة أقل وتكون قيمة معامل الأداء ‏COP‏ أعلى من نظيراتها المتجانسة. ‏

English Abstract

Standing wave thermoacoustic devices utilize high intensity sound waves and heat in the form ‎of temperature gradient across a porous medium for the transfer of energy and can be ‎categorized as engines or refrigerators. These devices are limited in their efficiency or ‎performance due to high degree of irreversibility inherited in their operation and it is primary ‎hindrance in industrialization of these systems. This has led to concentrated efforts in the ‎recent past to analyze and improve the performance of these devices. Numerical modeling ‎tools have proven their ability to accurately predict the performance of these devices by ‎successfully capturing the inherent non-linearities and are used extensively to model these ‎devices. ‎ The current work aims at performance prediction of standing wave thermoacoustic devices ‎using the numerical modeling techniques. At first, a detailed review of analytical and numerical ‎modeling concerning the standing wave thermoacoustic devices has been carried out. In the ‎next phase, one dimensional numerical model of a Standing Wave Thermoacoustic ‎Refrigerator (SWTAR), based on linear thermoacoustic theory, has been developed. The ‎developed SWTAR achieved a temperature drop of 34 K for cooling load of 10 W with ‎coefficient of performance (COP) of 1.264. Based on the results from the developed model a ‎sensitivity study using Non-dimensionalized Sensitivity Coefficient (NSC) method has been ‎conducted for three important performance parameters i.e. temperature drop achieved (ΔT), ‎COP and Relative Coefficient of Performance (COPR). It has been found that all the output ‎parameters are most sensitive to the small changes in the oscillating pressure amplitude (p1). ‎Largest values of NSC are recorded with respect to p1 for all the cases with a maximum value of ‎‎24.12 obtained for ΔT and value of 17.92 for COPR.‎ In the third phase, simplified two dimensional CFD models of Standing Wave Thermoacoustic ‎Engine (SWTAE) and SWTAR have been developed. Their performance have been simulated ‎using ANSYS Fluent and results are validated by comparing them with the published results. In ‎the last phase, effect of heterogeneous stack on the performance of SWTAR have been ‎analyzed using enhanced solution domain of the developed simplified model. Nine cases have ‎been simulated to analyze the performance. Two different aspects of heterogeneous stack, ‎namely different material combinations and different lengths of stacked layers have been ‎investigated in detail in terms of temperature drop achieved at cold heat exchanger 〖∆T〗‎‎_CHx, time averaged energy flux 〈E ̇_y 〉_t absorbed by stack and COP. Among all the material ‎combinations of the heterogeneous stack investigated, combinations having Recirculated ‎Vitreous Carbon (RVC) as side stacked layers produced the best results. The performance of ‎Celcor based RVC combination, when compared with the homogeneous Celcor stack, showed ‎an increase in the 〖∆T〗_CHx by 26.14 %, reduction in the 〈E ̇_y 〉_t consumption by 4.55 % and ‎enhancement of COP by 5.12 %. Furthermore, an increase in length of side stacked material ‎layer resulted in an increase in values of both 〖∆T〗_CHx and COP. As the length of the side ‎stacked material is increased form half to three particle displacements, the results for 〖∆T〗‎‎_CHxand COP improved by 72.91 % and 14.12 % respectively. Thus it can be inferred that the ‎presence of layers of different materials, resulting in an anisotropic arrangement of thermal ‎conductivities, inside the stack improves the SWTAR performance significantly. Heterogeneous ‎stacks provide lower refrigeration temperatures, consume less energy and have a higher COP ‎value than their homogeneous counterparts. ‎

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Research > Engineering
Mechanical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Bashmal, Salem
Committee Members: Ben Mansour, Rached and Khan, Sikandar
Depositing User: UMAR NAWAZ BHATTI (g201706530)
Date Deposited: 02 Mar 2020 09:20
Last Modified: 02 Mar 2020 09:20
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141469