Design, numerical simulation, and experimental validation of the air cooling system of a future particle detector of the ALICE experiment

Field: Engineering (Physical Sciences)

In this thesis, research and development work for the air cooling system of the Inner Barrel of the Inner Tracking System 3 (ITS3 IB) is carried out. The ITS3 IB will be a future particle detector of the ALICE experiment at the Large Hadron Collider (LHC). Efficient cooling is crucial for maximizing the particle measurement quality. The cooling system introduces open-cell carbon foams as heat exchangers that combine conduction and convection for the first time in a high-level engineering application. The ITS3 IB will have an unprecedentedly low material budget, which is a requirement for particle detectors that aim at precise tracking at low particle momenta. In the first chapter, the characterization of open-cell foams is performed. A multiscale model is developed that is applicable to a wide range of parameters. The microscopic geometry is based on a periodic model of the foam unit cell. The geometrical scales given by the model are validated with microscope images and computed tomography scans. The outputs of the microscopic model are the pressure loss, the thermal conductivity, and the Nusselt number. These values are used as inputs of the macroscopic model that determines the thermal performance at large scales. The multiscale model is concluded to provide accurate results with respect to the experimental data. The results obtained in the previous study are used to select appropriate foams for the ITS3 IB and to design the cooling system in the second chapter. A prototype of the ITS3 IB is built and installed in a wind tunnel to determine the thermal performance. The analysis also uses numerical simulations. The numerical results show excellent agreement with the experiments, with mean deviations of less than 0.5 K in the temperature distribution attributed to uncertainties in the sensor installation. The results confirm the system adherence to the temperature requirements. Compared to the baseline design, it is shown that enhancements based on simulations can reduce up to half the maximum temperature variation of the detector layers. The airflow applied to the low-mass structure of the ITS3 IB generates vibrations. This requires an aeroelastic analysis, which is done in the third chapter. A novel experimental approach is proposed using confocal sensors to measure the structural displacements of the prototype used for thermal analysis. A mathematical model for the fluid-structure interaction is developed. The results obtained in the experimental setup show that the mathematical model predicts the primary peaks of the spectrum of the structural displacements induced by the air flow. The validated model is used to analyze the real anticipated configuration of the future ITS3 IB, as well as possible adjustments arising from changes in detector cooling and installation requirements. In the industrial context of computational fluid dynamics, Wall-Modeled Large Eddy Simulations (WMLES) and hybrid Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS)/LES models suffer from multiple shortcomings. The present thesis tackles this problem, and a Generalized WMLES (GWMLES) model is presented in the fourth chapter that enables the modeling of the entire log-layer. GWMLES is validated against models of different fidelities and experimental data. The model developed gives a level of accuracy similar to recent LES results with a much lower computational cost. It is demonstrated that it is more accurate than URANS even when the resolved portion of the energy spectrum is reduced, and that it requires up to half the computational cost compared to the Detached Eddy Simulation (DES) model. RESUMEN En esta tesis se realizan trabajos de investigación y desarrollo para el sistema de enfriamiento por aire del Inner Barrel del ALICE Inner Tracking System 3 (ITS3 IB), el cual será un futuro detector de partículas del experimento ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones. El enfriamiento eficiente es crucial para maximizar la precisión de las mediciones de partículas. El sistema de enfriamiento introduce espumas de celdas abiertas como intercambiadores de calor que combinan conducción y convección por primera vez en una aplicación ingenieril de alto nivel. El ITS3 IB poseerá un valor bajo sin precedentes del presupuesto de material, el cual es un requerimiento para detectores de partículas que buscan un seguimiento preciso a valores bajos de momentos de partículas. En el primer capítulo caracterizan las espumas de celdas abiertas. Se desarrolla un modelo multiescala que es aplicable a un rango amplio de parámetros. La geometría microscópica se basa en un modelo periódico de la celda unidad de la espuma. Las escalas geométricas que se obtienen en el modelo se validan con imágenes de microscopio y de tomografía axial computerizada. Los parámetros de salida del modelo microscópico son la pérdida de presión, la conductividad térmica, y el número de Nusselt. Estos valores se emplean como parámetros de entrada del modelo macroscópico que determina el rendimiento térmico en grandes escalas. Se concluye que el modelo multiescala aporta resultados precisos en comparación con datos experimentales. Los resultados obtenidos en el estudio previo se emplean para seleccionar espumas apropiadas para el ITS3 IB y para diseñar el sistema de enfriamiento en el segundo capítulo. Se construye un prototipo del ITS3 IB y se instala en un túnel de viento para determinar el rendimiento térmico. En el análisis también se realizan simulaciones numéricas. Los resultados numéricos concuerdan de manera excelente con los experimentos, con desviaciones medias menores que 0.5 K en la distribución de temperatura que son atribuidas a incertidumbres en la instalación de los sensores. Los resultados confirman que el sistema cumple los requerimientos térmicos. En comparación con el diseño de referencia, se muestra que mejoras basadas en simulaciones pueden reducir hasta la mitad la máxima variación de temperatura de las capas del detector. El flujo de aire aplicado a la estructura de baja masa del ITS3 IB causa vibraciones, lo cual requiere un análisis aeroelástico que se realiza en el tercer capítulo. Se propone un nuevo enfoque experimental haciendo uso de sensores confocales para medir los desplazamientos estructurales del prototipo empleado en el análisis térmico. Se desarrolla un modelo matemático para la interacción fluido-estructura. Se muestra que el modelo matemático predice los picos primarios del espectro de desplazamientos estructurales inducidos por el flujo de aire en el experimento. El modelo validado se emplea para analizar la configuración anticipada del futuro ITS3 IB, además de posibles ajustes procedentes de modificaciones en los requerimientos de enfriamiento e instalación del detector. En el contexto industrial de la mecánica de fluidos computacional, los modelos Wall-Modeled Large Eddy Simulations (WMLES) e híbridos Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS)/LES sufren múltiples desventajas. La presente tesis aborda este problema, y se presenta un modelo WMLES generalizado (GWMLES) en el cuarto capítulo que permite la modelización de la capa logarítmica entera. GWMLES se valida con modelos de diferentes fidelidades y datos experimentales. El modelo desarrollado aporta un nivel de precisión similar al de resultados LES recientes con un coste computacional mucho menor. Se demuestra que es más preciso que URANS incluso cuando la parte resuelta del espectro de energía es reducida, y que además requiere hasta la mitad de coste computacional que el modelo Detached Eddy Simulation (DES).