Consortional main: Experimental and theoretical investigation of heat conduction  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
81161
Type K
Principal investigator Ván, Péter
Title in Hungarian Konzorcium, fő p.: Hővezetés kísérleti és elméleti vizsgálata
Title in English Consortional main: Experimental and theoretical investigation of heat conduction
Keywords in Hungarian hővezetés, nemegyensúlyi termodinamika
Keywords in English heat conduction, non-equilibrium thermodynamics
Discipline
Flow and Thermal Technology (Council of Physical Sciences)60 %
Ortelius classification: Thermal engineering
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)35 %
Ortelius classification: Nanotechnology (Materials technology)
Power Engineering (Council of Physical Sciences)5 %
Ortelius classification: Generation of heat
Panel Natural Sciences Committee Chairs
Department or equivalent Theoretical Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Fülöp, Tamás
Mitsui, Noa
Verhás, József
Starting date 2010-02-01
Closing date 2015-01-31
Funding (in million HUF) 22.185
FTE (full time equivalent) 8.37
state closed project
Summary in Hungarian
Ebben a konzorciális pályázatban a hullámhővezetési egyenlet (Cattaneo-Vernotte) általánosításainak kísérleti és elméleti vizsgálatát tervezzük. A Fourier-egyenlet kiterjesztésén túlmutató általánosított egyenletekkel (kettős fáziskésésű, ballisztikus-diffuzív) leírható jelenségeket gyors és nagy energiaintenzitású folyamatok esetén várhatjuk.

Egyrészt tervezzük egy olyan kísérleti berendezés megépítését, amely képes gyors és nagyintenzitású folyamatok esetén a hővezetési jelenségek mérésére. Másrészt az említett hővezetési egyenletek nemegyensúlyi termodinamikai keretbe illesztését. Az elmélet új fejleményei (gyengén nemlokális kiterjesztések következetes kezelése, eszközök az anyagi objektivitás pontos matematikai megfogalmazásához) várhatóan lehetővé teszik a fent említett elméletek egyszerűsítését és továbbfejlesztését. Robosztusságot és numerikus stabilitást is várunk egy termodinamikai keretben.

A kísérletek az elméleti javaslatokat ellenőrzésén túlmenően, a megfelelő anyagi paraméterek meghatározására és a jelenségkör minél pontosabb felderítésére szolgálnak. Az elmélet a kísérletek modellezésén túlmenően azoknak az anyagoknak illetve háttérfolyamatoknak az azonosítására is szolgál, ahol a jelenségkör várhatóan a legjobban megfigyelhető.
Summary
In this consortial proposal we suggest a combined experimental-theoretical investigation of the latest generalizations of the wave heat conduction (Cattaneo-Vernotte) equation. The experimental investigations were done at the Department of Energy Engineering of BME, the theoretical part at the Department of Theoretical Physics of KFKI, RIPNP of the Hungarian Academy of Sciences.

Our plan is to implement an experimental setup that is capable to measure fast and high energy density heat conduction phenomena of various materials. Parallel to the experimental investigations we plan to analyse the compatibility of several new heat conduction theories (dual phase lag, ballistic-diffusive) with non-equilibrium thermodynamics. The already developed general theoretical methods (consequent weakly nonlocal extension, tools to deal with frame indifference problems) give good hopes to simplify and improve the mentioned theories. Moreover robustness and numerical stability can be expected in a thermodynamic framework.

The experiments can verify the theory, and measure the corresponding material parameters. The theory can help to identify the materials and background processes where the phenomena is best observable.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A hővezetés Fourier-egyenletétől való eltérés észlelésének kulcsa a mechanikai és termikus kölcsönhatás lehetőségeinek elemzésén múlik. A kutatásunk során ezeket a lehetőségeket vizsgáltuk és ennek megfelelően tervezett kísérleteket végeztünk. A legfontosabb eredmények: 1) A hővezetés egyenletei. Módszert adtunk meg a lokális egyensúlytól való eltérés jellemzésére és ennek segítségével levezettük a hővezetés Fouirer-egyenletének univerzális általánosításait. Az elsőrendben kapott egyenlet tartalmazza az elméletileg eddig levezetett hővezetési egyenletek nagy részét, például a Maxwell-Cattaneo-Vernotte-egyenletet és a Guyer-Krumhansl-egyenletet. Másodrendben alkalmas a ballisztikus hővezetés modellezésére is. 2) Reológia és általánosított kontinuumok. A kontinuumechanika lokális egyensúlyi egyenleteinek kiterjesztésével megadtuk a reológia termodinamikai alaptestét. A duális belső változók elméletének alkalmazásaként az általánosított kontinuumok mikrodeformációs elméletét beágyaztuk nemegyensúlyi termodinamikába. 3) Objektív alakváltozás. Bebizonyítottuk, hogy a deformálódás és képlékenyedés a vonatkoztatási rendszertől függetlenül egyértelmű térmennyiségekkel jellemezhető függetlenül a relaxált állapot létezésétől. 4) Fourier-egyenlettől való eltérést mértünk szobahőmérsékletű heterogén anyagban.
Results in English
The key of observing deviation from Fourier equation of heat conduction is the careful analysis of the possible couplings between thermal and mechanical phenomena. In our research we have analysed these possibilities and performed various experiments. Our most important results are: 1) Equations of heat conduction. We have derived universal generalizations of the Fouirer equation wit the help of a suitable characterization of the deviation from local equilibrium. The equation of the first order correction contains most of the known generalizations of the Fourier equation including the Maxwell-Cattaneo-Vernotte and Guyer-Krumhansl equations. The second order correction models ballistic propagation. 2) Rheology and generalized continua. The extension of local thermodynamic equilibrium in continuum mechanics resulted in a fundamental, thermodynamically consistent rheological body. We have obtained the theory of generalized continua as part of non-equilibrium thermodynamics. 3) Objective deformation. We have proven that there is a unique frame independent concept of elastic deformedness and plastic deformation rate independently of the existence of a relaxed state. 4) We have measured deviation from the Fourier equation in hetereogeneous materials at room temperature.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=81161
Decision
Yes





 

List of publications

  
Czél, B., Gróf, Gy.: Érzékenységi vizsgálatok egy numerikus szemléletű anyagjellemző mérési módszer kiértékeléséhez, GÉP, LXI/11, 2010
Biró TS, Ürmössy K, Ván P, Barnaföldi GG, Schram Z: NON-extensive statistical model for strange and NON-strange hadron spectra at RHIC and LHC energies, ACTA PHYSICA POLONICA B 43:(4) pp. 811-820, 2012
Czél B., Fülöp T., Gróf Gy. és Ván P.: Comparison of temperature responses of the laser flash method in case of parabolic and hyperbolic heat conduction models, Proceedings of the 11th International Conference on Heat Engines and Environmental Protection, Balatonfüred, pp. 133-139., 2013
Fülöp T., Ván P. and Csatár A.: Elasticity, plasticity, rheology and thermal stress - an irreversible thermodynamical theory, Proceedings of the 12th Joint European Thermodynamics Conference, JETC 2013, Brescia: CARTOLIBRERIA SNOOPY, 2013. pp. 525-530., 2013
Ván P., Czél B. Fülöp T., Gróf Gy., Gyenis Á. and Verhás J.: Experimental aspects of heat conduction beyond Fourier, Proceedings of the 12th Joint European Thermodynamics Conference, JETC 2013, Brescia: CARTOLIBRERIA SNOOPY, 2013. pp. 519-524., 2013
Ván P: Thermodynamics of continua: the challenge of universality, Proceedings of the 12th Joint European Thermodynamics Conference, JETC 2013, Brescia: CARTOLIBRERIA SNOOPY, 2013. pp. 228-233., 2013
Cimmelli VA, Jou D, Ruggeri T, Ván P: Entropy principle and recent results in non-equilibrium theories, ENTROPY-SWITZ 16: (3) 1756-1807, 2014
Mitsui N, Ván P: Thermodynamic aspects of rock friction, ACTA GEOD GEOPHYS 49: (2) 135-146, 2014
Ván P, Berezovski A, Papenfuss C: Thermodynamic approach to generalized continua, CONTINUUM MECH THERM 26: (3) 403-420, 2014
Verhás J.: GYARMATI’S VARIATIONAL PRINCIPLE OF DISSIPATIVE PROCESSES., Proceedings of the 12th Joint European Thermodynamics Conference, JETC 2013, Brescia: CARTOLIBRERIA SNOOPY, 2013. pp. 127-132., 2013
Biró, T.S., Barnaföldi, G.G and Ván, P.: Quark-gluon plasma connected to finite heat bath, EPJ A 49:(9) Paper 110. 5 p., 2013
Czél B., Fülöp T., Gróf Gy. és Ván P.: Comparison of temperature responses of the laser flash method in case of parabolic and hyperbolic heat conduction models, Proceedings of the 11th International Conference on Heat Engines and Environmental Protection, Balatonfüred, pp. 133-139., 2013
Czél B., Fülöp T., Gróf Gy., Gyenis Á. és Ván P.: Simple heat conduction experiments, Proceedings of the 11th International Conference on Heat Engines and Environmental Protection, Balatonfüred, pp. 141-146., 2013
Fülöp T., Ván P. and Csatár A.: Elasticity, plasticity, rheology and thermal stress - an irreversible thermodynamical theory, Proceedings of the 12th Joint European Thermodynamics Conference, JETC 2013, Brescia: CARTOLIBRERIA SNOOPY, 2013. pp. 525-530., 2013
Fülöp T., Ván P. and Csatár A.: Thermodynamical description of plastic processes, Proceedings of the 11th International Conference on Heat Engines and Environmental Protection, Balatonfüred, pp. 147-152., 2013
Fülöp T. Ván P. and Csatár A.: Szilárd testek rugalmas, hőtágulási és képlékeny folyamatainak termodinamikája, Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2013, Budapest: Hantken Kiadó, 2013. pp. 333-338., 2013
Ván P., Czél B. Fülöp T., Gróf Gy., Gyenis Á. and Verhás J.: Experimental aspects of heat conduction beyond Fourier, Proceedings of the 12th Joint European Thermodynamics Conference, JETC 2013, Brescia: CARTOLIBRERIA SNOOPY, 2013. pp. 519-524., 2013
Ván P: Nemegyensúlyi termodinamika, Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2013, Budapest: Hantken Kiadó, 2013. pp. 339-344., 2013
Ván P: Thermodynamics of continua: the challenge of universality, Proceedings of the 12th Joint European Thermodynamics Conference, JETC 2013, Brescia: CARTOLIBRERIA SNOOPY, 2013. pp. 228-233., 2013
Ván P., Berezovski A. and Papenfuss C.: Thermodynamic approach to generalized continua, Continuum Mechanics and Thermodynamics, 26: pp. 1-18., 2014
Czél, B., Woodbury, K.A., Gróf, G.: Simultaneous estimation of temperature-dependent volumetric heat capacity and thermal conductivity functions via neural networks, International Journal of Heat and Mass Transfer 68 PP. 1 - 13, 2014
Czél, B., Woodbury, K.A., Woolley, J., Gróf, G.: Analysis of Parameter Estimation Possibilities of the Thermal Contact Resistance Using the Laser Flash Method with Two-Layer Specimens, International Journal of Thermophysics, V34 pp. 1993 - 2008, 2013
Czél, B., Woodbury, K.A., Gróf, G.: Inverse identification of temperature-dependent volumetric heat capacity by neural networks, International Journal of Thermophysics 34 (2) PP. 284 - 305, 2013
Czél, B., Gróf, Gy.: Simultaneous identification of temperature dependent thermophysical properties from transient temperature history by genetic algorithm, Thermal Conductivity 31/Thermal Expansion 19: Proceedings of the 31st International Thermal Conductivity Conference and 19th Internatinal Thermal Conductivity Symposium,, 2013
Czél B., Gróf Gy.: Inverse identification of temperature-dependent thermal conductivity via genetic algorithm with cost function-based rearrangement of genes, International Journal of Heat and Mass Transfer, 55/15-16, p4254–4263., 2012
Czél B., Gróf Gy.: Simultaneous inverse identification of temperature-dependent thermophysical properties from transient temperature histories via genetic algorithm, International Journal of Thermophysics, 33/6, p1023-1041, 2012
Fülöp T.: Thermal expansion, elastic stress and finite deformation kinematics, Proceedings of 10th International Conference on Heat Engines and Environmental Protection, Balatonfüred, Hungary, May 23-25., p227-232, 2011
Fülöp T.: Egytengelyű eredő reológia, és relaxáció mint deviatorikus kúszás, In: Cs. Asszonyi (ed.), Mérnökgeológia-Kőzetmechanika Kiskönyvtár 13, Hungarian Printing House, Budapest, 2012, pp. 23-29., 2012
Ván P. and Biró T. S.: First order and stable relativistic dissipative hydrodynamics, PHYSICS LETTERS B 709: p. 106-110, 2012
Ván P, Barnaföldi GG, Biró TS, Ürmössy K: Nonadditive thermostatistics and thermodynamics, JOURNAL OF PHYSICS-CONFERENCE SERIES 394:(1) Paper 012002, 2012
Biró TS, Ürmössy K, Ván P, Barnaföldi GG, Schram Z: NON-extensive statistical model for strange and NON-strange hadron spectra at RHIC and LHC energies, ACTA PHYSICA POLONICA B 43:(4) pp. 811-820, 2012
Ván Péter: Generic stability in dissipative generalized mechanics, arXiv:1212.6892 kézirat, 2013
T. S. Biró, G. G. Barnaföldi, P. Ván: Thermodynamic Derivation of the Tsallis and Rényi Entropy Formulas and the Temperature of Quark-Gluon Plasma, arXiv:1208.2533, 2012
Fülöp T. és Ván P.: Véges rugalmas és képlékeny deformációk leírása, Idő és térderiváltak anyagtörvényekben, Műegyetemi Kiadó, ed. Fülöp T., (Mérnökgeológiai-Kőzetmechanika Kiskönyvtár, V10) 99-151o, 2010
Ván P.: A képlékenység termodinamikája, Idő és térderiváltak anyagtörvényekben, Műegyetemi Kiadó, ed. Fülöp T., (Mérnökgeológiai-Kőzetmechanika Kiskönyvtár, V10) 15-50o, 2010
Biró T. and Ván P.: Zeroth law compatibility of nonadditive thermodynamics, Physical Review E 83, 061147, 2011
Ván, P.: Kinetic equilibrium and relativistic thermodynamics, EPJ WEB of Conferences, 13, p07004, 2011
Ván P.: Heat conduction beyond the Fourier equation: comparison of weakly nonlocal theories, 9th International Congress on Thermal Stresses, 2011, Budapest, online proceedings, 2011
Fülöp T. and Ván P.: Kinematic quantities of finite elastic and plastic deformation, Mathematical Methods in the Applied Sciences, 35: (15) pp. 1825-1841., 2012
Czél Balázs: A hővezetési tényező és a térfogati hőkapacitás meghatározása genetikus algoritmussal, PHD disszertáció, BME, Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola, 2010
Ván, P. and Papenfuss, C.: Thermodynamic consistency of third grade finite strain elasticity, Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 59/2, p126-132., 2010
Czél, B., Gróf, Gy.: Érzékenységi vizsgálatok egy numerikus szemléletű anyagjellemző mérési módszer kiértékeléséhez, GÉP, LXI/11, 2010
Czél, B., Gróf, Gy.: Simultaneous Measurement of Temperature Dependent Thermophysical Properties, Proceedings of 2nd International Symposium on Thermal Design and Thermophysical Property for Electronics and Energy, Tsukuba, Japan, 15-17 December, p159-161., 2010
Ván P., Czél B., Fülöp T., Gróf Gy. and Verhás J.: Heat conduction beyond the Fourier equation - theory and experiments, Proceedings of 10th International Conference on Heat Engines and Environmental Protection, p221-226, 2011
Ván P. and Fülöp T.: Universality in heat conduction theory: Weakly nonlocal thermodynamics, Annalen der Physics, 524: (8) pp. 470-478., 2012
Ván P. and Gróf Gy.: What is thermodynamics and what is it for?, INTERDISCIPLINARY DESCRIPTION OF COMPLEX SYSTEMS 10:(2) p. 66-72, 2012
Czél B., Gróf Gy., Kiss L.: Simultaneous Measurement of Temperature Dependent Thermophysical Properties, Japanese Journal of Applied Physics, 50/11, pp 11RE05-11RE05-5, 2011
Ács, G., Czél, B.: Estimation of the Heat Transfer Coefficient by Neural Network, Proceedings of 10th International Conference on Heat Engines and Environmental Protection, Balatonfüred, Hungary, May 23-25., p209-213, 2011
Berezovski A, Engelbrecht J, Ván P: Weakly nonlocal thermoelasticity for microstructured solids: microdeformation and microtemperature, ARCHIVE OF APPLIED MECHANICS 84:(9-11) pp. 1249-1261. (2014), 2014
Biró TS, Barnaföldi GG, Ván P, Ürmössy K: Statistical Power Law due to Reservoir Fluctuations and the Universal Thermostat Independence Principle, ENTROPY 16:(12) pp. 6497-6514. (2014), 2014
Ván P, Biró T S: Thermodynamics and flow-frames for dissipative relativistic fluids, AIP CONFERENCE PROCEEDINGS 1578: pp. 114-121. (2014) Mexico City, Mexikó: 2013.09.09 -2013.09.13., 2014
Verhás J.: Gyarmati’s Variational Principle of Dissipative Processes, Entropy 2014, 16(4), 2362-2383, 2014
Asszonyi Cs., Fülöp T. and Ván P.: Distinguished rheological models for solids in the framework of a thermodynamical internal variable theory, Continuum Mechanics and Thermodynamics, published online, 2014
Asszonyi Cs., Csatár A. és Fülöp T.: Szilárd anyagok rugalmas, hőtágulási, képlékeny és reológiai folyamatainak termomechanikája - elmélet és kísérlet, Termodinamikai módszertan - kontinuumfizikai alkalmazások, Fülöp Tamás (szerk.), Budapest: Egyesület a Tudomány és Technológia Egységéért, 35-54. o., 2015
Fülöp T. és Szücs M.: Szilárdtest-reológiai időfüggés meghatározása a Volterra-elv által inspirálva, Termodinamikai módszertan - kontinuumfizikai alkalmazások, Fülöp Tamás (szerk.), Budapest: Egyesület a Tudomány és Technológia Egységéért, 67-76. o., 2015
Ván Péter: Galilei-relativisztikus folyadékmechanika, Termodinamikai módszertan - kontinuumfizikai alkalmazások, Fülöp Tamás (szerk.), Budapest: Egyesület a Tudomány és Technológia Egységéért, 137-176. o., 2015
Biró TS, Barnaföldi GG, Ván P: New entropy formula with fluctuating reservoir, PHYSICA A 417: 215-220, 2015
Kovács R, Ván P: Generalized heat conduction in heat pulse experiments, INT J HEAT MASS TRAN 83: 613-620, 2015
Ván P., Kovács R. és Fülöp T.: Thermodynamic hierarchies of evolution equations, Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, accepted, 2015
Ván P.: THEORIES AND HEAT PULSE EXPERIMENTS OF NON-FOURIER HEAT CONDUCTION, ArXiv:1501.04234 (submitted for publication), 2015




 

Events of the project

  
2013-11-29 10:29:55
Résztvevők változása
2013-05-14 13:48:37
Résztvevők változása



Back »