Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Estudo experimental de uma abordagem transiente para estimação simultânea de propriedades térmicas dependentes da temperatura em materiais metálicos
Autor(es): ANTUNES, Mariana de Melo
Primeiro Orientador: SILVA, Sandro Metrevelle Marcondes Lima e
Resumo: No presente trabalho descreve-se o estudo de uma técnica experimental para a estimação simultânea e variando com temperatura da condutividade térmica, k, e do calor específico, cp, em amostras de diferentes materiais metálicos em uma faixa de 20 °C até mais de 150 °C. São utilizados dois modelos térmicos baseados na difusão de calor transiente e não linear através de amostras metálicas sujeitas à diferentes condições de contorno. No primeiro modelo, unidimensional (1D), toda superfície superior das amostras é sujeita a um fluxo de calor constante enquanto as demais superfícies são mantidas isoladas. No segundo modelo, tridimensional (3D), apenas parte da superfície superior é aquecida por este fluxo de calor enquanto a condição de isolamento térmico é mantida nas demais superfícies. Nos dois modelos o efeito da resistência de contato é considerado como um fator de redução no fluxo de calor entregue durante os experimentos, consequência do contato imperfeito na interface aquecedor-amostra. O modelo tridimensional utilizado permite avaliar melhor os efeitos da difusão do calor, aumentando a sensibilidade e abordando um estudo de caso mais realista. Por meio da análise de sensibilidade é possível obter informações prévias sobre a viabilidade da estimação e estabelecer os aspectos experimentais do processo de estimação. O critério de sensibilidade D-ótimo é aplicado para determinar o melhor local para coleta de medidas de temperatura para que os dados de um único termopar sejam suficientes para a estimação das propriedades térmicas. A análise térmica é realizada em amostras de aços inoxidáveis austeníticos 304 e 316, em aço carbono 1045 e no compósito metal duro WC10Co. O problema direto é resolvido no software COMSOL Multiphysics, que calcula a distribuição de temperatura na amostra a partir da geometria e condições iniciais e de contorno fornecidas. Para solução do problema inverso em condução de calor é aplicado o método de Levenberg-Marquardt (L-M), capaz de estimar propriedades térmicas simultaneamente e variando com a temperatura fazendo uso de medidas experimentais transientes obtidas em um único experimento em temperatura ambiente. O Método da Função Especificada Não-Linear é usado para confirmar a confiabilidade da técnica inversa de estimação aplicada na obtenção das propriedades térmicas. Dessa forma, os resultados obtidos na estimação são utilizados para verificar o fluxo de calor imposto na amostra. Além disso, o estudo estatístico dos intervalos de confiança e a comparação com a literatura confirmam a qualidade dos resultados. Finalmente, a acurácia do método desenvolvido é investigada por meio da análise dos erros provenientes dos processos experimental e numérico. Verifica-se que não há variação significativa na dispersão dos dados obtidos para o calor específico, mantendo intervalo de confiança de 0,5% independente do material. Já para a condutividade térmica é verificada forte influência da sensibilidade, com intervalos de confiança variando de 1 a 6%, sendo o menor deles correspondente ao modelo térmico 3D, que fornece maior sensibilidade para o parâmetro. Além disso, a análise de erros indica que a incerteza relativa do processo de estimação é de cerca de 6%.
Abstract: This work describes an experimental and straightforward technique towards the simultaneous estimation of temperature-dependent thermal conductivity, k, and specific heat, cp, in samples of different metallic materials, ranging from 20°C to more than 150 °C. Two thermal models based on transient nonlinear heat conduction across the metallic samples are applied. In the first one, one-dimensional (1D), the whole upper surface is heated by a constant heat flux and the other surfaces are kept insulated. The second one, three-dimensional (3D), is only partially subject to a constant heat flux on the upper side, and insulated on the other surfaces. The imperfect contact at the heater-plate interface in both cases causes contact resistance effect, which is considered as a reducing agent on heat flux. This enabled one better assess the heat diffusion effects, increasing the sensitivity, and addressing a more realistic case study. Through sensitivity analysis, it is possible to obtain prior information about estimation feasibility and establish all experimental aspects. D-optimality-based sensitivity analysis was used to determine the best location to collect the measurements so that data from a single thermocouple were sufficient to identify these thermal properties. Thermal analysis has been performed in 304 and 316 autenitic stainless steels, 1045 carbon steel and in hardmetal composite WC10Co. The direct problem was solved in COMSOL Multiphysics, obtaining the temperature field from known initial and boundary conditions. The Levenberg–Marquardt (L-M) method is employed to provide the solution to an inverse heat conduction problem capable of simultaneously evaluating the temperature-dependent thermophysical properties using transient temperature measurements at room temperature. Nonlinear Function Specification Method is used to confirm the reliability of the inverse estimation technique by using the achieved outcomes to recover the heat flux imposed on the test plate. Furthermore, the statistical study into confidence bounds and comparison with literature reveal the robustness of the results. Finally, the accuracy of the developed approach is investigated through the analysis of the errors deriving from experimental and numerical procedures. It is verified that there is no significant variation in the dispersion of the data obtained for specific heat, maintaining 0.5% confidence bounds regardless of the material. For thermal conductivity, a strong influence of sensitivity is verified, with confidence bounds ranging from 1 to 6%, with the lowest value corresponding to the 3D thermal model, which provides greater sensitivity for the parameter. Furthermore, error analysis indicates that the relative uncertainty of the estimation process is around 6%.
Palavras-chave: Propriedades térmicas dependentes da temperatura
Materiais metálicos
Estimação simultânea
Análise de sensibilidade
Problemas inversos em condução de calor
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia Mecânica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3538
Data do documento: 23-Fev-2023
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