Laminar counterflow parallel-plate heat exchangers: Exact and approximate solutions

Multilayered, counterflow, parallel-plate heat exchangers are analyzed numerically and theoretically. The analysis, carried out for constant property fluids, considers a hydrodynamically developed laminar flow and neglects longitudinal conduction both in the fluid and in the plates. The solution for the temperature field involves eigenfunction expansions that can be solved in terms of Whittaker functions using standard symbolic algebra packages, leading to analytical expressions that provide the eigenvalues numerically. It is seen that the approximate solution obtained by retaining the first two modes in the eigenfunction expansion provides an accurate representation for the temperature away from the entrance regions, specially for long heat exchangers, thereby enabling simplified expressions for the wall and bulk temperatures, local heat-transfer rate, overall heat-transfer coefficient, and outlet bulk temperatures. The agreement between the numerical and theoretical results suggests the possibility of using the analytical solutions presented herein as benchmark problems for computational heat-transfer codes.

Electromagnetic analysis of periodic structures under a waveguide viewpoint

The fundamental objective of this Ph. D. dissertation is to demonstrate that, under particular circumstances which cover most of the structures with practical interest, periodic structures can be understood and analyzed by means of closed waveguide theories and techniques. To that aim, in the first place a transversely periodic cylindrical structure is considered and the wave equation, under a combination of perfectly conducting and periodic boundary conditions, is studied. This theoretical study runs parallel to the classic analysis of perfectly conducting closed waveguides. Under the light shed by the aforementioned study it is clear that, under certain very common periodicity conditions, transversely periodic cylindrical structures share a lot of properties with closed waveguides. Particularly, they can be characterized by a complete set of TEM, TE and TM modes. As a result, this Ph. D. dissertation introduces the transversely periodic waveguide concept. Once the analogies between the modes of a transversely periodic waveguide and the ones of a closed waveguide have been established, a generalization of a well-known closed waveguide characterization method, the generalized Transverse Resonance Technique, is developed for the obtention of transversely periodic modes. At this point, all the necessary elements for the consideration of discontinuities between two different transversely periodic waveguides are at our disposal. The analysis of this type of discontinuities will be carried out by means of another well known closed waveguide method, the Mode Matching technique. This Ph. D. dissertation contains a sufficient number of examples, including the analysis of a wire-medium slab, a cross-shaped patches periodic surface and a parallel plate waveguide with a textured surface, that demonstrate that the Transverse Resonance Technique - Mode Matching hybrid is highly precise, efficient and versatile. Thus, the initial statement: ”periodic structures can be understood and analyzed by means of closed waveguide theories and techniques”, will be corroborated. Finally, this Ph. D. dissertation contains an adaptation of the aforementioned generalized Transverse Resonance Technique by means of which the analysis of laterally open periodic waveguides, such as the well known Substrate Integrated Waveguides, can be carried out without any approximation. The analysis of this type of structures has suscitated a lot of interest in the recent past and the previous analysis techniques proposed always resorted to some kind of fictitious wall to close the structure. vii Resumen El principal objetivo de esta tesis doctoral es demostrar que, bajo ciertas circunstancias que se cumplen para la gran mayoría de estructuras con interés práctico, las estructuras periódicas se pueden analizar y entender con conceptos y técnicas propias de las guías de onda cerradas. Para ello, en un primer lugar se considera una estructura cilíndrical transversalmente periódica y se estudia la ecuación de onda bajo una combinación de condiciones de contorno periódicas y de conductor perfecto. Este estudio teórico y de caracter general, sigue el análisis clásico de las guías de onda cerradas por conductor eléctrico perfecto. A la luz de los resultados queda claro que, bajo ciertas condiciones de periodicidad (muy comunes en la práctica) las estructuras cilíndricas transversalmente periódicas guardan multitud de analogías con las guías de onda cerradas. En particular, pueden ser descritas mediante un conjunto completo de modos TEM, TE y TM. Por ello, ésta tesis introduce el concepto de guía de onda transversalmente periódica. Una vez establecidas las similitudes entre las soluciones de la ecuación de onda, bajo una combinación de condiciones de contorno periódicas y de conductor perfecto, y los modos de guías de onda cerradas, se lleva a cabo, con éxito, la adaptación de un conocido método de caracterización de guías de onda cerradas, la técnica de la Resonancia Transversal Generalizada, para la obtención de los modos de guías transversalmente periódicas. En este punto, se tienen todos los elementos necesarios para considerar discontinuidades entre guías de onda transversalmente periódicas. El analisis de este tipo de discontinuidades se llevará a cabo mediante otro conocido método de análisis de estructuras cerradas, el Ajuste Modal. Esta tesis muestra multitud de ejemplos, como por ejemplo el análisis de un wire-medium slab, una superficie de parches con forma de cruz o una guía de placas paralelas donde una de dichas placas tiene cierta textura, en los que se demuestra que el método híbrido formado por la Resonancia Transversal Generalizada y el Ajuste Modal, es tremendamente preciso, eficiente y versátil y confirmará la validez de el enunciado inicial: ”las estructuras periódicas se pueden analizar y entender con conceptos y técnicas propias de las guías de onda cerradas” Para terminar, esta tésis doctoral incluye también una modificación de la técnica de la Resonancia Transversal Generalizada mediante la cual es posible abordar el análisis de estructuras periódica abiertas en los laterales, como por ejemplo las famosas guías de onda integradas en sustrato, sin ninguna aproximación. El análisis de este tipo de estructuras ha despertado mucho interés en los últimos años y las técnicas de análisis propuestas hasta ix el momento acostumbran a recurrir a algún tipo de pared ficticia para simular el carácter abierto de la estructura.

Contribution to the design of waveguide-fed compound-slot arrays by means of equivalent circuit modelling

Los arrays de ranuras son sistemas de antennas conocidos desde los años 40, principalmente destinados a formar parte de sistemas rádar de navíos de combate y grandes estaciones terrenas donde el tamaño y el peso no eran altamente restrictivos. Con el paso de los años y debido sobre todo a importantes avances en materiales y métodos de fabricación, el rango de aplicaciones de este tipo de sistemas radiantes creció en gran medida. Desde nuevas tecnologías biomédicas, sistemas anticolisión en automóviles y navegación en aviones, enlaces de comunicaciones de alta tasa binaria y corta distancia e incluso sistemas embarcados en satélites para la transmisión de señal de televisión. Dentro de esta familia de antennas, existen dos grupos que destacan por ser los más utilizados: las antennas de placas paralelas con las ranuras distribuidas de forma circular o espiral y las agrupaciones de arrays lineales construidos sobre guia de onda. Continuando con las tareas de investigación desarrolladas durante los últimos años en el Instituto de Tecnología de Tokyo y en el Grupo de Radiación de la Universidad Politécnica de Madrid, la totalidad de esta tesis se centra en este último grupo, aunque como se verá se separa en gran medida de las técnicas de diseño y metodologías convencionales. Los arrays de ranuras rectas y paralelas al eje de la guía rectangular que las alimenta son, sin ninguna duda, los modelos más empleados debido a la fiabilidad que presentan a altas frecuencias, su capacidad para gestionar grandes cantidades de potencia y la sencillez de su diseño y fabricación. Sin embargo, también presentan desventajas como estrecho ancho de banda en pérdidas de retorno y rápida degradación del diagrama de radiación con la frecuencia. Éstas son debidas a la naturaleza resonante de sus elementos radiantes: al perder la resonancia, el sistema global se desajusta y sus prestaciones degeneran. En arrays bidimensionales de slots rectos, el campo eléctrico queda polarizado sobre el plano transversal a las ranuras, correspondiéndose con el plano de altos lóbulos secundarios. Esta tesis tiene como objetivo el desarrollo de un método sistemático de diseño de arrays de ranuras inclinadas y desplazadas del centro (en lo sucesivo “ranuras compuestas”), definido en 1971 como uno de los desafíos a superar dentro del mundo del diseño de antennas. La técnica empleada se basa en el Método de los Momentos, la Teoría de Circuitos y la Teoría de Conexión Aleatoria de Matrices de Dispersión. Al tratarse de un método circuital, la primera parte de la tesis se corresponde con el estudio de la aplicabilidad de las redes equivalentes fundamentales, su capacidad para recrear fenómenos físicos de la ranura, las limitaciones y ventajas que presentan para caracterizar las diferentes configuraciones de slot compuesto. Se profundiza en las diferencias entre las redes en T y en ! y se condiciona la selección de una u otra dependiendo del tipo de elemento radiante. Una vez seleccionado el tipo de red a emplear en el diseño del sistema, se ha desarrollado un algoritmo de cascadeo progresivo desde el puerto alimentador hacia el cortocircuito que termina el modelo. Este algoritmo es independiente del número de elementos, la frecuencia central de funcionamiento, del ángulo de inclinación de las ranuras y de la red equivalente seleccionada (en T o en !). Se basa en definir el diseño del array como un Problema de Satisfacción de Condiciones (en inglés, Constraint Satisfaction Problem) que se resuelve por un método de Búsqueda en Retroceso (Backtracking algorithm). Como resultado devuelve un circuito equivalente del array completo adaptado a su entrada y cuyos elementos consumen una potencia acorde a una distribución de amplitud dada para el array. En toda agrupación de antennas, el acoplo mutuo entre elementos a través del campo radiado representa uno de los principales problemas para el ingeniero y sus efectos perjudican a las prestaciones globales del sistema, tanto en adaptación como en capacidad de radiación. El empleo de circuito equivalente se descartó por la dificultad que suponía la caracterización de estos efectos y su inclusión en la etapa de diseño. En esta tesis doctoral el acoplo también se ha modelado como una red equivalente cuyos elementos son transformadores ideales y admitancias, conectada al conjunto de redes equivalentes que representa el array. Al comparar los resultados estimados en términos de pérdidas de retorno y radiación con aquellos obtenidos a partir de programas comerciales populares como CST Microwave Studio se confirma la validez del método aquí propuesto, el primer método de diseño sistemático de arrays de ranuras compuestos alimentados por guía de onda rectangular. Al tratarse de ranuras no resonantes, el ancho de banda en pérdidas de retorno es mucho mas amplio que el que presentan arrays de slots rectos. Para arrays bidimensionales, el ángulo de inclinación puede ajustarse de manera que el campo quede polarizado en los planos de bajos lóbulos secundarios. Además de simulaciones se han diseñado, construido y medido dos prototipos centrados en la frecuencia de 12GHz, de seis y diez elementos. Las medidas de pérdidas de retorno y diagrama de radiación revelan excelentes resultados, certificando la bondad del método genuino Method of Moments - Forward Matching Procedure desarrollado a lo largo de esta tésis. Abstract The slot antenna arrays are well known systems from the decade of 40s, mainly intended to be part of radar systems of large warships and terrestrial stations where size and weight were not highly restrictive. Over the years, mainly due to significant advances in materials and manufacturing methods, the range of applications of this type of radiating systems grew significantly. From new biomedical technologies, collision avoidance systems in cars and aircraft navigation, short communication links with high bit transfer rate and even embedded systems in satellites for television broadcast. Within this family of antennas, two groups stand out as being the most frequent in the literature: parallel plate antennas with slots placed in a circular or spiral distribution and clusters of waveguide linear arrays. To continue the vast research work carried out during the last decades in the Tokyo Institute of Technology and in the Radiation Group at the Universidad Politécnica de Madrid, this thesis focuses on the latter group, although it represents a technique that drastically breaks with traditional design methodologies. The arrays of slots straight and parallel to the axis of the feeding rectangular waveguide are without a doubt the most used models because of the reliability that they present at high frequencies, its ability to handle large amounts of power and their simplicity of design and manufacturing. However, there also exist disadvantages as narrow bandwidth in return loss and rapid degradation of the radiation pattern with frequency. These are due to the resonant nature of radiating elements: away from the resonance status, the overall system performance and radiation pattern diminish. For two-dimensional arrays of straight slots, the electric field is polarized transverse to the radiators, corresponding to the plane of high side-lobe level. This thesis aims to develop a systematic method of designing arrays of angled and displaced slots (hereinafter "compound slots"), defined in 1971 as one of the challenges to overcome in the world of antenna design. The used technique is based on the Method of Moments, Circuit Theory and the Theory of Scattering Matrices Connection. Being a circuitry-based method, the first part of this dissertation corresponds to the study of the applicability of the basic equivalent networks, their ability to recreate the slot physical phenomena, their limitations and advantages presented to characterize different compound slot configurations. It delves into the differences of T and ! and determines the selection of the most suitable one depending on the type of radiating element. Once the type of network to be used in the system design is selected, a progressive algorithm called Forward Matching Procedure has been developed to connect the proper equivalent networks from the feeder port to shorted ending. This algorithm is independent of the number of elements, the central operating frequency, the angle of inclination of the slots and selected equivalent network (T or ! networks). It is based on the definition of the array design as a Constraint Satisfaction Problem, solved by means of a Backtracking Algorithm. As a result, the method returns an equivalent circuit of the whole array which is matched at its input port and whose elements consume a power according to a given amplitude distribution for the array. In any group of antennas, the mutual coupling between elements through the radiated field represents one of the biggest problems that the engineer faces and its effects are detrimental to the overall performance of the system, both in radiation capabilities and return loss. The employment of an equivalent circuit for the array design was discarded by some authors because of the difficulty involved in the characterization of the coupling effects and their inclusion in the design stage. In this thesis the coupling has also been modeled as an equivalent network whose elements are ideal transformers and admittances connected to the set of equivalent networks that represent the antennas of the array. By comparing the estimated results in terms of return loss and radiation with those obtained from popular commercial software as CST Microwave Studio, the validity of the proposed method is fully confirmed, representing the first method of systematic design of compound-slot arrays fed by rectangular waveguide. Since these slots do not work under the resonant status, the bandwidth in return loss is much wider than the longitudinal-slot arrays. For the case of two-dimensional arrays, the angle of inclination can be adjusted so that the field is polarized at the low side-lobe level plane. Besides the performed full-wave simulations two prototypes of six and ten elements for the X-band have been designed, built and measured, revealing excellent results and agreement with the expected results. These facts certify that the genuine technique Method of Moments - Matching Forward Procedure developed along this thesis is valid and trustable.

Exact solution for the conjugate fluid-fluid problem in the thermal entrance region of laminar counterflow heat exchangers

A generalized Lévêque solution is presented for the conjugate fluid–fluid problem that arises in the thermal entrance region of laminar counterflow heat exchangers. The analysis, carried out for constant property fluids, assumes that the Prandtl and Peclet numbers are both large compared to unity, and neglects axial conduction both in the fluids and in the plate, assumed to be thermally thin. Under these conditions, the thermal entrance region admits an asymptotic self-similar description where the temperature varies as a power ϳ of the axial distance, with the particularity that the self-similarity exponent must be determined as an eigenvalue by solving a transcendental equation arising from the requirement of continuity of heat fluxes at the heat conducting wall. Specifically, the analysis reveals that j depends only on the lumped parameter ƙ = (A2/A1)1/3 (α1/α2)1/3(k2/k1), defined in terms of the ratios of the wall velocity gradients, A, thermal diffusivities, α i, and thermal conductivities,k i, of the fluids entering, 1, and exiting, 2, the heat exchanger. Moreover, it is shown that for large (small) values of K solution reduces to the classical first (second) Lévêque solution. Closed-form analytical expressions for the asymptotic temperature distributions and local heat-transfer rate in the thermal entrance region are given and compared with numerical results in the counterflow parallel-plate configuration, showing very good agreement in all cases.