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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Síntese e exploração da matriz de transferência de núcleos de motores termoacústicos a partir de desempenho arbitrário
Title Alternative: Synthesis and exploitation of the transfer matrix of thermoacoustic cores from arbitrary engine performance
Author: Gomes, Denis Leite, 1992-
Advisor: Bannwart, Flávio de Campos, 1969-
Abstract: Resumo: Motores termoacústicos convertem energia térmica em mecânica por meio de oscilações acústicas espontâneas em um fluido de trabalho gasoso confinado em um determinado arranjo de guias de onda. Seu segmento principal é o núcleo termoacústico (TAC, do inglês \textit{thermoacoustic core}), definido como o intervalo de guia de onda onde o gradiente de temperatura é não-homogêneo e, se suficientemente alto, promove o surgimento das referidas oscilações ao interagirem termicamente com uma superfície sólida, constituindo o campo acústico. O fenômeno termoacústico é maximizado com a utilização de um material poroso no interior do TAC devido à maior área exposta pelas paredes internas dos seus poros abertos. A partir da matriz de transferência experimental do TAC preenchido com um material poroso específico, diferentes motores podem ser projetados em função dos comprimentos dos outros segmentos de guias de onda, e seus desempenhos e configurações ótimos podem ser calculados. Entretanto, tais procedimentos envolvem soluções analítico-experimentais de problemas indiretos para cada amostra de material poroso investigada, o que torna o processo iterativo e trabalhoso. No sentido de se facilitar essa seleção, ou mesmo eventualmente conceber um novo material poroso, esse trabalho propõe uma abordagem pela solução de um problema inverso: a síntese da matriz de transferência de TAC a partir de um desempenho termoacústico arbitrário. Matrizes de transferência experimentais de TACs de dois materiais porosos diferentes, de trabalhos anteriores, são analisadas para uma configuração específica de motor termoacústico de onda estacionária. Cada coeficiente da matriz de transferência é perturbado em amplitude e fase em simulações a fim de se avaliar seus efeitos no ganho termoacústico. As matrizes de transferência resultantes levam a desempenhos energéticos melhores, mas demandam ponderações sobre as condições de contorno e perfis de temperatura para adequação comparativa entre os materiais. Aplicando a solução de outro problema inverso, previamente desenvolvido em trabalhos anteriores, dentro de um contexto de sistema acústico não-recíproco, matrizes de transferência sintetizadas foram usadas para estimação de porosidade e raio de poro cilíndrico equivalente, parâmetros geométricos importantes na avaliação da viabilidade da concepção teórica de melhores materiais porosos a priori

Abstract: Thermoacoustic engines convert thermal into mechanical energy by means of spontaneous oscillations in a working gas confined in a determined waveguide arrangement. Its main segment is the thermoacoustic core (TAC), defined as the waveguide interval where the temperature gradient is inhomogeneous and, if sufficiently high, promotes the emergence of the referred oscillations by thermal interaction with a solid surface, constituting the acoustic field. The thermoacoustic phenomenon is maximized by utilizing a porous material inside the TAC, due to a larger area exposed by the inner walls of their open pores. From the experimental transfer matrix of the TAC filled with a specific porous material, different engines can be designed depending on the lengths of the other waveguide segments, and their performances and optimal configurations can be calculated. However, such procedures follow analytic-experimental solutions to an indirect problem for each porous material sample investigated, what makes it an iterative and laborious process. In order to facilitate this selection, or even to eventually design a new porous material, this work proposes an approach by the solution of an inverse problem: the synthesis of the TAC transfer matrix from an arbitrary thermoacoustic performance. Experimental TAC transfer matrices of two different porous materials from previous works are analyzed for a specific standing wave thermoacoustic engine configuration. Each coefficient of the transfer matrix is perturbed in amplitude and phase in simulations in order to evaluate their effects on the thermoacoustic gain. The resulting transfer matrices lead to better energy performance, but demand considerations on the boundary conditions and temperature profile, and raise discussions about the feasibility of the corresponding porous materials. Applying the solution of another inverse problem, developed in previous works, within a non-reciprocal system context, synthesized transfer matrices were used for estimation of porosity and equivalent cylindrical pore radius, important geometric parameters in evaluating the feasibility of the theoretical conception of better a priori porous materials
Subject: Termoacústica
Eficiência energética
Problemas inversos (Equações diferenciais)
Materiais porosos
Ressonância
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: GOMES, Denis Leite. Síntese e exploração da matriz de transferência de núcleos de motores termoacústicos a partir de desempenho arbitrário. 2019. 1 recurso online (105 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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