Numerical Investigation of Heat Transfer in composite materials

Τσοτουλίδη, Βασιλική; Tsotoulidi, Vasiliki

dc.contributor.author	Τσοτουλίδη, Βασιλική	el
dc.contributor.author	Tsotoulidi, Vasiliki	en
dc.date.accessioned	2020-01-16T07:56:27Z
dc.date.available	2020-01-16T07:56:27Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49647
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17345
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Δομοστατικός Σχεδιασμός και Ανάλυση των Κατασκευών”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μεταφορά θερμότητας	el
dc.subject	Σύνθετο υλικό	el
dc.subject	Γραφένιο	el
dc.subject	Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας	el
dc.subject	Αντιπροσωπευτικό στοιχείο όγκου	el
dc.subject	RVE	en
dc.subject	CNTs	en
dc.subject	Graphene	en
dc.subject	Thermal conductivity	en
dc.subject	Composite material	en
dc.title	Numerical Investigation of Heat Transfer in composite materials	en
dc.title	Αριθμητική Ανάλυση της μεταφοράς θερμότητας σε σύνθετα υλικά	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Θερμομηχανικό Πρόβλημα	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-06-21
heal.abstract	Η διαδικασία της μεταφοράς θερμότητας σε ένα σύνθετο υλικό αποτελεί ένα ιδιαιτέρως περίπλοκο πρόβλημα, το οποίο δικαιολογείται αν αναλογιστούμε ότι, σύμφωνα με τα έως τώρα πειραματικά και θεωρητικά δεδομένα που έχουν προκύψει από την επιστημονική μελέτη του φαινομένου αυτού, η θερμική αντίσταση στη διεπιφάνεια οφείλεται κυρίως στην επιλογή του υλικού ενίσχυσης και τις θερμικές του ιδιότητες και στην πολυπλοκότητα της γεωμετρίας μεταξύ των συστατικών που αποτελεί το σύνθετο υλικό. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετήθηκε το πρόβλημα του προσδιορισμού του ενεργού συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας k_eff σύνθετων υλικών και πιο συγκεκριμένα καταγράφηκε η δραματικά υψηλή απόδοση της θερμικής αγωγιμότητας του σύνθετου υλικού σε σχέση τη μήτρα η οποία έφτασε να γίνει μέχρι και κατά 1400 φορές μεγαλύτερη. Για την εκπόνηση της μεταπτυχιακής διατριβής δημιουργήθηκαν τρείς περιπτώσεις μοντέλων. Τα υλικά που επιλέχθηκαν ήταν η πολυαιθερική κετόνη (PEEK) για μήτρα και σαν υλικό ενίσχυσης είτε νανοσωλήνες άνθρακα(CNTs) είτε γραφένιο. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε για να εισαχθούν τα CNTs και τα γραφένια και να γίνει η υπολογιστική ανάλυση με βάση τη θεωρία των πεπερασμένων στοιχείων ώστε να προκύψει η ισοδύναμη(ενεργός) θερμική αγωγιμότητα σύνθετων υλικών, είναι του ενσωματωμένου στοιχείου. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν, αρχικά, για τη μοντελοποίηση της μήτρας δισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία τεσσάρων κόμβων με υλικό ενίσχυσης νανοσωλήνες άνθρακα με τη μέθοδο που αναφέρθηκε παραπάνω. Σαν δεύτερη περίπτωση, εξετάστηκαν για τη μοντελοποίηση της μήτρας χρησιμοποιήθηκαν τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία 8 κόμβων, όπου επιλέγεται για το νανοσύνθετο αντιπροσωπευτικό στοιχείο όγκου (Representative Volume Element – RVE), όπου το γραφένιο είναι ενσωματωμένο σε ορθογωνική μήτρα πολυμερούς. Τελευταία περίπτωση αποτέλεσε η δημιουργία πάλι τρισδιάστατων πεπερασμένων οκτακομβικών στοιχείων για τη μήτρα, στην οποία τώρα έχουν ενσωματωθεί νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs). Ακολουθεί η ομογενοποίηση των δύο υλικών, ώστε να θεωρηθεί, εν τέλει ομογενές και συμπαγές. Είναι σημαντικό να αναφερθεί, σε αυτό το σημείο ότι η διερεύνηση του προβλήματος έγινε για σύνθετα υλικά δύο φάσεων, αρχικά ως προς το λόγο του όγκου του υλικού ενίσχυσης προς το συνολικό όγκο του σύνθετου υλικού (την κατά όγκο περιεκτικότητα (% v/v)) και την τοποθέτηση του υλικού ενίσχυσης (CNTs και γραφένια ) σε σχέση με την πολυμερική μήτρα (ενδιάμεσους κα ακριανούς κόμβους) ώστε να δούμε εμφανώς πως μεταβλήθηκε η ισοδύναμη (ενεργός) θερμική αγωγιμότητα σύνθετων υλικών ανά περίπτωση και για τις τρείς περιπτώσεις μοντέλων. Οι περιπτώσεις των κατά όγκων περιεκτικοτήτων που εξετάστηκαν ήταν: 0.5% v/v , 1% v/v, 2%v/v, 5%v/v και 10%v/v, οι οποίες ήταν ίδιες και στις τρείς περιπτώσεις μοντέλων που μελετήθηκαν. Στη συνέχεια, η ίδια ακριβώς διαδικασία επαναλήφθηκε και για το λόγο του βάρους ου υλικού ενίσχυσης προς το συνολικό βάρος του σύνθετου υλικού (την κατά βάρος περιεκτικότητα (% w/w)) και την τοποθέτηση του υλικού ενίσχυσης (CNTs και γραφένια ) σε σχέση με την πολυμερική μήτρα (ενδιάμεσους κα ακριανούς κόμβους), όπου και σε αυτήν την περίπτωση μελετήθηκαν οι ίδιες κατά βάρος περιεκτικότητες (%w/w) και στις τρείς περιπτώσεις μοντέλων. Οι περιπτώσεις των κατά βαρών περιεκτικοτήτων που εξετάστηκαν ήταν: 0.5% w/w , 1% w/w, 2%w/w, 5%w/w και 10%w/w. Μέσα από αυτή τη διαδικασία, έγινε επικύρωση και επαλήθευση των υπολογιστικών δεδομένων καθώς υπήρχε εξαιρετική συμφωνία και στις τρεις περιπτώσεις των μοντέλων που εξετάστηκαν για όλο το εύρος του λόγων των όγκων(%v/v) καθώς και του λόγων των βαρών(%w/w). Για τις προσομοιώσεις των πεπερασμένων στοιχείων στο γραφένιο, στους νανοσωλήνες άνθρακα και το πολυμερές επιλέχθηκε το εμπορικό πακέτο Abaqus CAE. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η μέθοδος που ακολουθήθηκε για να υπολογιστεί η ενεργός θερμική αγωγιμότητα του σύνθετου υλικού ήταν αυτή του ενσωματωμένου θερμικού στοιχείου. Λόγω της πολυπλοκότητας αυτού του προβλήματος, τους αλγορίθμους βελτιστοποίησης καθώς και λόγω της γένεσης πλεγμάτων, χρησιμοποιήθηκε ένα ισχυρό υπολογιστικό εργαλείο, που εξασφάλισε την επίλυση αρκετά πολύπλοκων προβλημάτων με την καλύτερη δυνατή ακρίβεια στα αποτελέσματα και το μικρότερο χρονικό κόστος για την εύρεση των ζητούμενων μεγεθών και είναι το λογισμικό MSolve.	el
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Βησσαρίων	el
heal.committeeMemberName	Σπηλιόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Σταυρίδης, Λεωνίδας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	312 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true