Autor: GLIGOR, Dan Cristian

Título: Control of thermal fluids and application to PCM devices in reduced gravity

Fecha: 2025

Materia: ---

Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

Departamento: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES

Acceso electrónico: https://oa.upm.es/91009/

Director/a(s):

• Director/a: SALGADO SÁNCHEZ, Pablo

Resumen: This Thesis explores innovative strategies for fluid control mechanisms, leveraging Marangoni flows, baffle-induced dissipation and a combination of these distinct strategies for sloshing mitigation. These techniques become relevant in microgravity given the absence of the gravity restoring force, as well as in terrestrial applications requiring precise fluid management. At the core of this study lies the thermocapillary effect, a phenomenon in which temperature induced surface tension gradients generate surface deformation and fluid motion. The research first examines the intricate coupling between thermal gradients and interface dynamics, confirming the ability of the thermocapillary forces to both induce and suppress sloshing. By implementing a PID controller, the study demonstrates a remarkable reduction in sloshing motion. The influence of the container geometry is explored and confirmed to play an important role. In a cylindrical cell, thermocapillary forces naturally align the fluid interface perpendicular to the applied thermal gradient, an analogous effect (and supplementary) to vibrational forcing. In this geometry, a properly tuned PID controller could achieve any desired interface orientation, offering a compelling approach for Propellant Management Devices in microgravity. However, the high sensitivity of the free surface to perturbations presents a challenge as it could cause undesired transitions among the infinite equilibrium positions (multiple solutions) which a rotationally-symmetric system admits in the absence of restoring forces. This is elegantly mitigated by employing slightly elliptical containers, which introduce a finite number of stable equilibrium states and ensure passive realignment. The new balance between the interfacial and the kinetic energies induced by Marangoni flows gives rise to a pitchfork bifurcation of the interface orientation depending on the eccentricity parameter. While thermocapillary control proves highly effective in low-inertia environments, it alone is insufficient for scenarios dominated by strong inertial forcing. To address this, the study examines the role of passive baffles in suppressing sloshing. Fixed baffles disrupt the fluid motion, alter its topological properties, enhance viscous dissipation and create stagnant fluid regions, thereby damping oscillatory motion. A more sophisticated approach, inspired by Tuned Mass Dampers (TMDs), consists of a baffle whose motion is constrained by an elastic element: through its interaction with the fluid flow, it can be used to absorb (and redistribute) the sloshing energy. Numerical simulations confirm that these dynamically responsive baffles split the main resonance peak, significantly mitigating oscillations in both microgravity and terrestrial conditions. The tuning of the elastic properties enables optimization of sloshing suppression. To validate these findings, a dedicated experimental setup is developed, incorporating baffles with translational, rotational and mixed degrees of freedom (DOFs). Experimental results shed light on the enhanced sloshing mitigation of the moving baffles over the fixed ones, with the combined translational-rotational configuration achieving the most comprehensive sloshing suppression across all tested frequencies. Overall, this research enriches the understanding of fluid control mechanisms, providing new avenues for precision fluid management in space and on Earth. As humanity advances toward extended space missions, these methodologies hold profound implications for propellant handling and spacecraft fluid systems, reinforcing the foundation for the next era of exploration. RESUMEN Esta tesis explora estrategias innovadoras para el control de fluidos, aprovechando el efecto Marangoni, la disipación producida por baffles y una combinación de ambas para la mitigación del sloshing. Estas técnicas son relevantes tanto en microgravedad, dada la ausencia de la gravedad como fuerza restauradora, así como en aplicaciones terrestres que requieran un control de fluidos preciso. Ocupando una posición central en este estudio se encuentra el efecto termocapilar, un fenómeno en el que gradientes térmicos ocasionan gradientes de tensión superficial que conducen a deformaciones de interfaces fluidas y establecimiento de flujos convectivos. Esta investigación examina el acoplamiento entre gradientes térmicos y la dinámica superficial, confirmando la habilidad de las fuerzas termocapilares de inducir y suprimir el sloshing. Con la implementación de un controlador PID, se observa una reducción significativa del movimiento de sloshing. Asimismo, se ha estudiado la influencia de la geometría del contenedor, hallándose que las fuerzas termocapilares alinean la interfaz fluida perpendicularmente al gradiente térmico. Este efecto es análogo (y suplementario) al que producen las vibraciones. Si con esta geometría se ajustara el controlador PID, se podría reorientar una interfaz fluida en cualquier dirección, un efecto interesante para dispositivos de gestión de propelente (PMDs) en microgravedad. Sin embargo, la alta sensibilidad de la superficie libre a perturbaciones presenta un desafío dado que podría causar transiciones indeseadas entre las infinitas posiciones de equilibrio que posee un sistema con simetría rotacional en ausencia de fuerzas restauradoras. Esto se podría mitigar empleando contenedores ligeramente elípticos, que introducen un número finito de estados de equilibrio estables y asegurarían una reorientación pasiva. El nuevo balance entre las energías interfacial y cinética inducido por el efecto Marangoni da lugar a una bifurcación de tipo pitchfork de la orientación de la interfaz frente al parámetro de excentricidad. Mientras que el control termocapilar presenta una gran eficacia en escenarios donde las fuerzas inerciales no dominan el movimiento, es insuficiente estando estas presentes. Para abordar esto, el estudio examina el papel de los baffles pasivos para suprimir el sloshing. Los baffles fijos alteran el movimiento del fluido, alteran la topología del dominio, incrementan la disipación viscosa y crean zonas de fluido inmóvil, todo ello conduciendo a un incremento en amortiguamiento. Un enfoque más sofisticado, inspirado por los amortiguadores de masa sintonizados (TMDs), consiste en un bafle cuyo movimiento está restringido por un elemento elástico: a través de su interacción con el flujo, se puede usar para absorber (y redistribuir) la energía del sloshing. Las simulaciones numéricas confirman que estos baffles con respuesta dinámica dividen la resonancia principal, mitigando significativamente las oscilaciones tanto en microgravedad como en tierra. El sintonizado de las propiedades elásticas permite la optimización de la mitigación del sloshing. Para validar estos hallazgos, se ha desarrollado un setup experimental que incorpora baffles con grados de libertad (DOFs) en traslación, rotación y una mezcla de ambos. Los resultados experimentales permiten ahondar en las mejoras en mitigación del sloshing de los baffles móviles frente a los fijos. La combinación de baffles con traslación y rotación alcanza la mejor mitigación en el espectro de frecuencias estudiado. En resumen, la investigación enriquece el entendimiento sobre mecanismos de control de fluidos, proporcionando nuevas formas para el manejo de fluidos en el espacio y en tierra. Con el avance de las misiones espaciales extendidas, las metodologías descritas en este trabajo tienen implicaciones profundas en la gestión de propulsante y de sistemas fluidos en vehículos espaciales. Todo ello refuerza los cimientos para la nueva era de exploración.