Desarrollo y resultados 2016/2017 - Octubre 2017 · Clow and R. M. Haberle, “Free convection in...
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Trabajos futuros Lilian Peinado Pérez [email protected] Directora: Isabel Pérez Grande Instituto Universitario de Microgravedad «Ignacio Da Riva» International Conference on Environmental Systems 2017 Charleston (EEUU) 16-20 Julio 2017 “Thermal design of the Air Temperature Sensor (ATS) and the Thermal InfraRed Sensor (TIRS) of the Mars Environmental Dynamics Analyzer (MEDA) for Mars 2020” • Se están estudiando métodos para medir la temperatura través de la resistencia. Será necesario cuantificar la disipación de calor por conducción y radiación frente a la de convección, por ello, no se descarta la necesidad de hacer otro tipo de ensayos (con cámara térmica infrarroja) para determinar propiedades termo- ópticas. • El primer objetivo es ensayar en convección natural pero sería posible continuar con convección forzada. • Además se quiere estudiar cómo afecta al intercambio de calor convectivo, el que un elemento se encuentre en régimen de transición de medio continuo a molecular. Mars 2020 rover mission JPL-NASA [9] Mars Environmental Dynamics Analyzer - MEDA Air Temperature Sensor - ATS Congreso Nacional de Ingeniería Termodinámica 2017 Lleida 28-30 Junio 2017 “Thermal modeling of convective heat transfer in scientific instrumentation of Mars missions: implementation in thermal analysis of ATS and TIRS in MARS 2020” ExoMars 2020 ESA/Roscosmos Surface Science Platform - SP Dust Sensor METEO Introducción • Están en auge las misiones espaciales y es de especial interés modelizar sistemas térmicos en atmósferas planetarias no terrestres, con propiedades distintas debido a la composición gaseosa, diferencia de presión, gravedad y temperatura, etc. • Existen pocos estudios sobre los parámetros de transporte de la atmósfera de Marte a bajas presiones [1], [2]. Y hay que cubrir campos como el de la transferencia de calor por convección en atmósferas enrarecidas [16]. • En sistemas complejos aplicar un valor medio de coeficiente de transferencia de calor aumentaría la incertidumbre. En ocasiones es necesario hacer un análisis CFD [3] para predecir estos coeficientes y también se recurre a las correlaciones experimentales [4]. Pero, tanto en CFD como en correlaciones experimentales existen ciertas lagunas [5] en convección en atmósferas enrarecidas. Objetivos • A lo largo del curso 2016/2017 se han encontrado problemas al construir modelos térmicos sólidos para sistemas en atmósferas no terrestres. • En atmósferas enrarecidas es difícil computar la transmisión de calor ya que se puede pasar de régimen continuo a molecular [6]. Es necesario indagar en materia de correlaciones para convección natural y forzada para superficies en gases enrarecidos. • Existen estudios que sintetizan correlaciones para cilindros en diversos fluidos [4], [7], [8] pero hay pocas correlaciones en convección natural para cables muy finos en gases a bajas presiones. • Se planea realizar ensayos con distintas geometrías, para obtener nuevas correlaciones. Además se busca reducir el tiempo de optimización de diseño y posterior correlación de resultados. Desarrollo y resultados 2016/2017 - Octubre 2017 Referencias [1] R. Osczevski, “Martian windchill in terrestrial terms,” Bull. Am. Meteorol. Soc., vol. 95, no. 4, pp. 533–541, 2014. [2] G. Colonna, A. D’Angola, A. Laricchiuta, D. Bruno, M. Capitelli, A. D’Angola, A. Laricchiuta, D. Bruno, and M. Capitelli, “Analytical Expressions of Thermodynamic and Transport Properties of the Martian Atmosphere in a Wide Temperature and Pressure Range,” Plasma Chem. Plasma Process., vol. 33, no. 1, pp. 401–431, 2012. [3] P. Bhandari and K. R. Anderson, “CFD Analysis For Assessing The Effect Of Wind On The Thermal Control Of The Mars Science Laboratory Curiosity Rover,” 43rd Int. Conf. Environ. Syst., pp. 1–14, 2013. [4] S. K. S. Boetcher, “Natural Convection from Circular Cylinders,” Springer, 2014. [5]P. Bhandari, P. Karlmann, K. Anderson, K. Novak, T. N. Aeronautics, P. T. Engineer, S. Thermal, E. Group, T. Engineer, T. Hardware, F. Systems, and S. T. Engineer, “CO-2 Insulation for Thermal Control of the Mars Science Laboratory,” 41st Int. Conf. Environ. Syst., no. July, pp. 1–16, 2011. [6] H.-S. Tsien, “Superaerodynamics, Mechanics of Rarefied Gases,” J. Aeronaut. Sci., vol. 13, no. 12, pp. 653–664, Dec. 1946. [7] H. R. Nagendra, M. A. Tirunarayanan, and A. Ramachandran, “Laminar Free Convection From Vertical Cylinders with Uniform Heat Flux,” ASME, J. Heat Transf., pp. 191–194, 1970. [8] F. Gori, M. G. Serranò, and Y. Wang, “Natural convection along a vertical thin cylinder with uniform and constant wall heat flux,” Int. J. Thermophys., vol. 27, no. 5, pp. 1527–1538, 2006. [9] K. S. Novak, J. G. Kempenaar, M. Redmond, and P. Bhandari, “Preliminary Surface Thermal Design of the Mars 2020 Rover,” 45th Int. Conf. Environ. Syst., vol. 134, no. July, 2015. [10] A. Spiga, D. P. Hinson, J. Madeleine, T. Navarro, E. Millour, F. Forget, and F. Montmessin, “Nighttime Convection by Water-Ice Clouds on Mars .,” in International Workshop on the Mars Armosphere, 2017. [11] G. D. Clow and R. M. Haberle, “Free convection in the Martian atmosphere,” Reports of Planetary Geology and Geophysics Programs. pp. 199– 200, 1991. [12] Á. Vicente-Retortillo, F. Valero, L. Vázquez, and G. M. Martínez, “A model to calculate solar radiation fluxes on the Martian surface,” J. Sp. Weather Sp. Clim., vol. 5, no. A33, 2015. [13] J. Appelbaum and D. J. Flood, “Solar Radiation on Mars,” NASA Technical Memorandum 102299. 1989. [14] F. P. Incropera, D. P. DeWitt, T. L. Bergman, and A. S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer. New York, 2007. [15] J. P. Holman, Heat Transfer, Tenth Edit. New York: McGraw-Hill, 2010. [16] J. R. Kyte, A. J. Madden, and E. L. Piret, “Natural-convection heat transfer at reduced pressure,” Chem. Eng. Prog., vol. 49, no. 12, pp. 653–662, 1953. [17] G. S. Springer, “Heat Transfer in Rarefied Gases,” in Advances in Heat Transfer, 1971, pp. 163–218. [18] L. Lees and C.-Y. Liu, “Kinetic-Theory Description of Conductive Heat Transfer from a Fine Wire,” Phys. Fluids, vol. 5, no. 10, p. 1137, 1962. [19] L. Tamkin, E. Nelson, and H. McQuail, “Evaluation of Modelling Techniques for a Carbon Dioxide Gas - Gap for the ExoMars Rover and Surface Platform Mission,” 46th Int. Conf. Environ. Syst., no. July, pp. 1–16, 2016. [20] E. Nelson, H. Mcquail, and L. Tamkin, “Characterisation of the insulation provided by a carbon dioxide gap for the ExoMars 2018,” no. July, 2015. ATS Sensor pasivo basado en termopares E-type Ø 75 μm. Estructura de FR4 (fibra de vidrio-epoxy). Bloque interior isotermo de aluminio. Uniones frías interiores de alúmina y cobre. Medición de la temperatura de la atmósfera marciana. Dust Sensor Sensor activo basado en luz infrarroja. Un emisor y dos receptores de infrarrojos. Estructura de aluminio. Tarjeta electrónica interior. Medición del tamaño del polvo en suspensión. Entorno en Marte [10], [11] • Polvo en suspensión: • Carga solar reducida en tierra [12], [13] • Carga solar difusa • Deposición de polvo en superficies absorptancia solar degradada • Emisividad del suelo y albedo variables según la zona. • Atmósfera de CO 2 convección natural y forzada Convección externa • Verano: mayor T , menor p menor ρ • Invierno: menor T , mayor p mayor ρ • Film temperature: • Viscosidad cinemática ν • Conductividad térmica k • Número de Prandtl Pr Se extrapolan datos empíricos a bajas presiones y temperaturas de Marte. • Coeficiente de transferencia de calor convectivo h , depende de: • Tipo de convección • Geometría de la superficie • Orientación de la superficie • Correlaciones para convección natural y forzada [14], [15] Número de Nusselt: • Placas planas horizontales • Placas planas verticales • Cilindros horizontales • Cilindros verticales Estudio de correlaciones necesarias para atmósfera marciana y gases enrarecidos. Convección interna • ¿Célula de convección? Depende de geometría y tamaño de la cavidad [5], [19], [20]. • Pequeña Predomina la conducción • Grande Predomina la convección • Se han implementado correlaciones para computar el intercambio de calor convectivo, encontrándose que algunas de ellas se encuentran fuera del rango de aplicación. • Placas planas horizontales en convección natural correlación fuera de rango por número de Raleigh muy bajo. • Placas planas perpendiculares al flujo en convección forzada correlación fuera de rango por número de Reynolds muy bajo. • Además se ha observado que aunque las correlaciones para hilos finos se aplican en rango, éstos se encuentran en régimen de transición de flujo continuo a molecular [17], [18]. • Se han realizado análisis de sensibilidad e incertidumbre para predecir el error cometido. • Se ha determinado el intercambio de calor por convección por medio de correlaciones. • Placas planas horizontales en convección natural correlación fuera de rango por número de Raleigh muy bajo. • Placas planas perpendiculares al flujo en convección forzada correlación fuera de rango por número de Reynolds muy bajo. • En este modelo térmico siempre se tiene régimen continuo (geometría más grande). • El instrumento está en fase de desarrollo y ha sido necesario realizar análisis de sensibilidad para realimentar el diseño con los resultados. • Se busca sistematizarr análisis de sensibilidad y posterior correlación con resultados experimentales. Actualmente • Modelo térmico terminado y resultados enviados a JPL-NASA. • Se ha pasado la Critical Design Review metodologías de análisis validadas. Actualmente • Resultados presentados. • A la espera de datos de ensayos para correlación. • Se proponen series de experimentos en laboratorio con una cámara (aclualmente se está diseñando y fabricando) para generar atmósferas controladas en composición, presión y temperatura. • Se pretenden ensayar diversos cables e hilos finos además de placas planas para extraer datos para generalizar el cálculo de transferencia de calor convectivo en condiciones representativas de la atmósfera marciana. • Se planea realizar los ensayos para temperatura constante de superficie y para flujo de calor constante. Y ensayar con la superficie más caliente que el entorno y viceversa.
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Trabajos futuros
Lilian Peinado Pérez [email protected]
Directora: Isabel Pérez Grande Instituto Universitario de Microgravedad «Ignacio Da Riva»
International Conference on Environmental Systems 2017
Charleston (EEUU) 16-20 Julio 2017
“Thermal design of the Air Temperature Sensor (ATS) and the Thermal InfraRed Sensor (TIRS) of the Mars Environmental Dynamics Analyzer (MEDA) for Mars 2020”
• Se están estudiando métodos para medir la temperatura través de la resistencia. Será necesario cuantificar la disipación de calor por conducción y radiación frente a la de convección, por ello, no se descarta la necesidad de hacer otro tipo de ensayos (con cámara térmica infrarroja) para determinar propiedades termo-ópticas.
• El primer objetivo es ensayar en convección natural pero sería posible continuar con convección forzada.
• Además se quiere estudiar cómo afecta al intercambio de calor convectivo, el que un elemento se encuentre en régimen de transición de medio continuo a molecular.
Mars 2020 rover mission JPL-NASA [9]
Mars Environmental Dynamics Analyzer - MEDA
Air Temperature Sensor - ATS
Congreso Nacional de Ingeniería Termodinámica 2017 Lleida 28-30 Junio 2017
“Thermal modeling of convective heat transfer in scientific instrumentation of Mars missions: implementation in thermal analysis of ATS and TIRS in MARS 2020”
ExoMars 2020 ESA/Roscosmos
Surface Science Platform - SP
Dust Sensor
METEO
Introducción • Están en auge las misiones espaciales y es de especial interés modelizar sistemas
térmicos en atmósferas planetarias no terrestres, con propiedades distintas debido a la composición gaseosa, diferencia de presión, gravedad y temperatura, etc.
• Existen pocos estudios sobre los parámetros de transporte de la atmósfera de Marte a bajas presiones [1], [2]. Y hay que cubrir campos como el de la transferencia de calor por convección en atmósferas enrarecidas [16].
• En sistemas complejos aplicar un valor medio de coeficiente de transferencia de calor aumentaría la incertidumbre. En ocasiones es necesario hacer un análisis CFD [3] para predecir estos coeficientes y también se recurre a las correlaciones experimentales [4]. Pero, tanto en CFD como en correlaciones experimentales existen ciertas lagunas [5] en convección en atmósferas enrarecidas.
Objetivos • A lo largo del curso 2016/2017 se han encontrado problemas al construir modelos
térmicos sólidos para sistemas en atmósferas no terrestres. • En atmósferas enrarecidas es difícil computar la transmisión de calor ya que se puede
pasar de régimen continuo a molecular [6]. Es necesario indagar en materia de correlaciones para convección natural y forzada para superficies en gases enrarecidos.
• Existen estudios que sintetizan correlaciones para cilindros en diversos fluidos [4], [7], [8]
pero hay pocas correlaciones en convección natural para cables muy finos en gases a bajas presiones.
• Se planea realizar ensayos con distintas geometrías, para obtener nuevas correlaciones. Además se busca reducir el tiempo de optimización de diseño y posterior correlación de resultados.
Desarrollo y resultados 2016/2017 - Octubre 2017
Referencias [1] R. Osczevski, “Martian windchill in terrestrial terms,” Bull. Am. Meteorol. Soc., vol. 95, no. 4, pp. 533–541, 2014. [2] G. Colonna, A. D’Angola, A. Laricchiuta, D. Bruno, M. Capitelli, A. D’Angola, A. Laricchiuta, D. Bruno, and M. Capitelli, “Analytical Expressions of Thermodynamic and Transport Properties of the Martian Atmosphere in a Wide Temperature and Pressure Range,” Plasma Chem. Plasma Process., vol. 33, no. 1, pp. 401–431, 2012. [3] P. Bhandari and K. R. Anderson, “CFD Analysis For Assessing The
Effect Of Wind On The Thermal Control Of The Mars Science Laboratory Curiosity Rover,” 43rd Int. Conf. Environ. Syst., pp. 1–14, 2013. [4] S. K. S. Boetcher, “Natural Convection from Circular Cylinders,” Springer, 2014. [5]P. Bhandari, P. Karlmann, K. Anderson, K. Novak, T. N. Aeronautics, P. T. Engineer, S. Thermal, E. Group, T. Engineer, T. Hardware, F. Systems, and S. T. Engineer, “CO-2 Insulation for Thermal Control of the Mars Science Laboratory,” 41st Int. Conf. Environ. Syst., no. July, pp. 1–16, 2011. [6] H.-S. Tsien, “Superaerodynamics, Mechanics of Rarefied Gases,” J. Aeronaut. Sci., vol. 13, no. 12, pp. 653–664, Dec. 1946. [7] H. R. Nagendra, M. A. Tirunarayanan, and A. Ramachandran, “Laminar Free Convection From Vertical Cylinders with Uniform Heat Flux,” ASME, J. Heat Transf., pp. 191–194, 1970. [8] F. Gori, M. G. Serranò, and Y. Wang, “Natural convection along a vertical thin cylinder with uniform and constant wall heat flux,” Int. J. Thermophys., vol. 27, no. 5, pp. 1527–1538, 2006. [9] K. S. Novak, J. G.
Kempenaar, M. Redmond, and P. Bhandari, “Preliminary Surface Thermal Design of the Mars 2020 Rover,” 45th Int. Conf. Environ. Syst., vol. 134, no. July, 2015. [10] A. Spiga, D. P. Hinson, J. Madeleine, T. Navarro, E. Millour, F. Forget, and F. Montmessin, “Nighttime Convection by Water-Ice Clouds on Mars .,” in International Workshop on the Mars Armosphere, 2017. [11] G. D. Clow and R. M. Haberle, “Free convection in the Martian atmosphere,” Reports of Planetary Geology and Geophysics Programs. pp. 199–200, 1991. [12] Á. Vicente-Retortillo, F. Valero, L. Vázquez, and G. M. Martínez, “A model to calculate solar radiation fluxes on the Martian surface,” J. Sp. Weather Sp. Clim., vol. 5, no. A33, 2015. [13] J. Appelbaum and D. J. Flood, “Solar Radiation on Mars,” NASA Technical Memorandum 102299. 1989. [14] F. P. Incropera, D. P. DeWitt, T. L. Bergman, and A. S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer. New York, 2007. [15] J. P. Holman, Heat Transfer, Tenth Edit. New York: McGraw-Hill, 2010. [16] J. R. Kyte, A. J. Madden, and E. L. Piret, “Natural-convection heat transfer at reduced pressure,” Chem. Eng. Prog., vol. 49, no. 12, pp. 653–662, 1953. [17] G. S. Springer, “Heat Transfer in Rarefied Gases,” in Advances in Heat Transfer, 1971, pp. 163–218. [18] L. Lees and C.-Y. Liu, “Kinetic-Theory Description of Conductive Heat Transfer from a Fine Wire,” Phys. Fluids, vol. 5, no. 10, p. 1137, 1962. [19] L. Tamkin, E. Nelson, and H. McQuail, “Evaluation of Modelling Techniques for a Carbon Dioxide Gas - Gap for the ExoMars
Rover and Surface Platform Mission,” 46th Int. Conf. Environ. Syst., no. July, pp. 1–16, 2016. [20] E. Nelson, H. Mcquail, and L. Tamkin, “Characterisation of the insulation provided by a carbon dioxide gap for the ExoMars 2018,” no. July, 2015.
ATS Sensor pasivo basado en termopares E-type Ø 75 μm. Estructura de FR4 (fibra de vidrio-epoxy). Bloque interior isotermo de aluminio. Uniones frías interiores de alúmina y cobre. Medición de la temperatura de la atmósfera marciana. Dust Sensor Sensor activo basado en luz infrarroja. Un emisor y dos
receptores de infrarrojos. Estructura de aluminio. Tarjeta electrónica interior. Medición del tamaño del polvo en suspensión.
Entorno en Marte [10], [11]
• Polvo en suspensión: • Carga solar reducida en tierra [12], [13]
• Carga solar difusa • Deposición de polvo en superficies
absorptancia solar degradada
• Emisividad del suelo y albedo variables según la zona.
• Atmósfera de CO2 convección natural y forzada
Convección externa • Verano: mayor T, menor p menor ρ • Invierno: menor T, mayor p mayor ρ • Film temperature:
• Viscosidad cinemática ν • Conductividad térmica k • Número de Prandtl Pr Se extrapolan datos empíricos a bajas presiones y temperaturas de Marte.
• Coeficiente de transferencia de calor convectivo h, depende de: • Tipo de convección • Geometría de la superficie • Orientación de la superficie
• Correlaciones para convección natural y forzada [14], [15] Número de Nusselt: • Placas planas horizontales • Placas planas verticales • Cilindros horizontales • Cilindros verticales Estudio de correlaciones necesarias para atmósfera marciana y gases enrarecidos.
Convección interna • ¿Célula de convección? Depende de
geometría y tamaño de la cavidad [5], [19], [20].
• Pequeña Predomina la conducción • Grande Predomina la convección
• Se han implementado correlaciones para computar el intercambio de calor convectivo, encontrándose que algunas de ellas se encuentran fuera del rango de aplicación.
• Placas planas horizontales en convección natural correlación fuera de rango por número de Raleigh muy bajo.
• Placas planas perpendiculares al flujo en convección forzada correlación fuera de rango por número de Reynolds muy bajo.
• Además se ha observado que aunque las correlaciones para hilos finos se aplican en rango, éstos se encuentran en régimen de transición de flujo continuo a molecular [17], [18].
• Se han realizado análisis de sensibilidad e incertidumbre para predecir el error cometido.
• Se ha determinado el intercambio de calor por convección por medio de correlaciones.
• Placas planas horizontales en convección natural correlación fuera de rango por número de Raleigh muy bajo.
• Placas planas perpendiculares al flujo en convección forzada correlación fuera de rango por número de Reynolds muy bajo.
• En este modelo térmico siempre se tiene régimen continuo (geometría más grande).
• El instrumento está en fase de desarrollo y ha sido necesario realizar análisis de sensibilidad para realimentar el diseño con los resultados.
• Se busca sistematizarr análisis de sensibilidad y posterior correlación con resultados experimentales. Actualmente
• Modelo térmico terminado y resultados enviados a JPL-NASA.
• Se ha pasado la Critical Design Review metodologías de análisis validadas.
Actualmente • Resultados
presentados. • A la espera de
datos de ensayos para correlación.
• Se proponen series de experimentos en laboratorio con una cámara (aclualmente se está diseñando y fabricando) para generar atmósferas controladas en composición, presión y temperatura.
• Se pretenden ensayar diversos cables e hilos finos además de placas planas para extraer datos para generalizar el cálculo de transferencia de calor convectivo en condiciones representativas de la atmósfera marciana.
• Se planea realizar los ensayos para temperatura constante de superficie y para flujo de calor constante. Y ensayar con la superficie más caliente que el entorno y viceversa.
