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Karl Joulain - One of the best experts on this subject based on the ideXlab platform.
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Conductive thermal diode based on two phase-change materials
International Journal of Thermal Sciences, 2020Co-Authors: Suraju Kasali, Jose Ordonez-miranda, Karl JoulainAbstract:Abstract The thermal Rectification of a conductive thermal diode made up of two phase-change materials, whose thermal conductivities significantly change within a narrow interval of temperatures, is theoretically studied and optimized. This is done by deriving analytical expressions for the temperature profiles, heat fluxes and Rectification factor. An optimal Rectification factor of 60% is obtained for a thermal diode operating with terminals of VO 2 and Polyethylene with a temperature difference of 250 K spanning the metal–insulator transition of both materials. It is shown that this high Rectification of a conductive thermal diode could be maximized even more by increasing the thermal conductivity variations of both diode terminals. The obtained results can thus be useful to guide the development of phase-change materials capable of optimizing the Rectification of conductive heat fluxes.
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Optimization of the Rectification factor of radiative thermal diodes based on two phase-change materials
International Journal of Heat and Mass Transfer, 2020Co-Authors: Suraju Kasali, Jose Ordonez-miranda, Karl JoulainAbstract:We have theoretically studied and optimized the thermal Rectification of plane, cylindrical and spherical radiative thermal diodes operating with terminals of two phase-change materials, whose emissivities significantly change within a narrow interval of temperatures. Analytical expressions for the optimal Rectification factors of these three diodes are derived and analyzed comparatively. Optimal Rectification factors of 82%, 86% and 90.5% are obtained for the plane, cylindrical and spherical diodes made up with terminals of Ge 2 Sb 2 Te 5 and VO 2 operating with a temperature difference of 450 − 300 = 150 K, respectively. The spherical geometry thus represents a suitable shape to optimize the Rectification of radiative heat currents. Furthermore, it is shown that higher Rectification factors can potentially be achieved by using phase-change materials with emissivities contrasts higher than those of Ge 2 Sb 2 Te 5 and VO 2. We demonstrate that radiative thermal diodes based on two phase-change materials are able to operate with Rectification factors higher than the corresponding ones of diodes involving a single phase-change material. The obtained results thus shed light on the phase-change materials required for optimizing the Rectification factor of radiative thermal diodes with different geometries.
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Simple far-field radiative thermal rectifier using Fabry–Perot cavities based infrared selective emitters
Applied optics, 2014Co-Authors: E. Nefzaoui, Jérémie Drevillon, Y Ezzahri, Karl JoulainAbstract:We present a thermal Rectification device concept based on far-field radiative exchange between two selective emitters. Rectification is achieved due to the fact that one of the selective emitters radiative properties are independent on temperature whereasthe other emitter properties are strongly temperature dependent. A simple device constituted by two multilayer samples made of metallic (Au) and semiconductor (Si and HDSi) thin films is proposed. This device shows a Rectification up to 70% with a temperature difference T = 200 K, a Rectification ratio that has never been achieved so far with radiation-based rectifiers. Further optimization would allow larger Rectification values. Presented results might be useful for energy conversion devices, smart radiative coolers / insulators engineering and thermal modulators development.
Songze Chen - One of the best experts on this subject based on the ideXlab platform.
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Perturbation theory of thermal Rectification.
Physical Review E, 2020Co-Authors: Chuang Zhang, Zhaoli Guo, Songze ChenAbstract:In this paper, a perturbation theory of thermal Rectification is developed for a thermal system where an effective thermal conductivity throughout the system can be identified and changes smoothly and slightly. This theory provides an analytical formula of the thermal Rectification ratio with rigorous mathematical derivations and physical assumptions. The physical meanings and limitations of the present theory are discussed in detail. Furthermore, a physical relationship among the thermal Rectification, system length, temperature difference, and thermal conductivity is built. It reveals the linear relationship between the thermal Rectification ratio and temperature difference. Also, the size dependence of the thermal Rectification relies on the specific form of the thermal conductivity. In addition, several previous experimental and numerical observations are well explained by this theory.
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radial thermal Rectification in concentric silicon ring from ballistic to diffusive regime
International Journal of Heat and Mass Transfer, 2020Co-Authors: Chuang Zhang, Songze ChenAbstract:Abstract In this work, the radial thermal Rectification in concentric silicon ring is studied based on the phonon Boltzmann transport equation. In the ballistic and diffusive limits, the analytical solutions reveal no thermal Rectification. In the ballistic-diffusive regime, numerical results show that the thermal conductivity is a nonseparable function of the spatial position and local temperature. In addition, the heat prefers to flow from the inner boundary to the outer one, which characterizes the thermal Rectification. As the distance between two circular boundaries increases from tens of nanometers to tens of microns, the thermal Rectification ratio increases first and then decreases gradually. Similar size-dependent thermal Rectification phenomena can be observed with different reference temperatures and radius ratios. It is mainly attributed to the asymmetric phonon transport and rapidly changing thermal conductivity in the ballistic-diffusive regime.
Benjamin Weiss - One of the best experts on this subject based on the ideXlab platform.
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Étude thermomécanique de la Rectification et influence sur l'intégrité de revêtements de chrome dur : introduction de la topographie des meules dans un modèle d'abrasion
2015Co-Authors: Benjamin WeissAbstract:La Rectification est un procédé de fabrication permettant d’obtenir des états de surface très fins. Elle est généralement utilisée sur des matériaux très durs pour lesquels les autres procédés d’usinage ne sont pas adaptés. La Rectification fait intervenir des mécanismes d’enlèvement de matière complexes encore difficiles à maitriser. Ils se produisent à des échelles microscopiques délicates à mettre en évidence. De plus, la Rectification fait intervenir des énergies mécaniques et thermiques conséquentes qui peuvent endommager la pièce à usiner. La compréhension de ces phénomènes est donc nécessaire pour améliorer ce procédé en termes de productivité et de qualité. Dans ces travaux, plusieurs axes de recherche ont été développés aussi bien en étudiant la pièce rectifiée que l’évolution de l’outil abrasif de Rectification. Des analyses ont été réalisées sur le revêtement de chrome et le substrat. Elles nous ont permis de détecter les variations de la texture cristallographique, des contraintes superficielles et de la dureté liées au procédé sur le revêtement de chrome, mais également sur le substrat qui peut également être affecté. Les grandeurs mesurées in process (puissance, efforts et température à l’interface meule/pièce) couplées à des simulations par éléments finis nous ont permis de caractériser la propagation du flux de chaleur à travers la pièce rectifiée et les conditions nécessaires pour ne pas l’endommager. L’évolution de la surface abrasive de la meule a fait l’objet d’une étude avancée avec la mise en place d’une mesure indirecte par empreinte, mesurée ensuite à l’aide d’un microscope optique confocal. Une méthode de redressement et de filtrage de la topographie a été développée. A partir de la topographie, la densité de grains et un profil de grain moyen ont été déterminés. Ceux-ci nous ont permis de mieux comprendre les modes d’usure de différentes technologies de meules abrasives. Cette modélisation de la topographie est introduite dans un modèle analytique d’abrasion afin de déterminer les efforts tangentiels de Rectification en fonction de l’usure de la meule. Une comparaison des efforts tangentiels aux valeurs mesurées est réalisée pour différentes conditions de Rectifications et différentes technologies de meules
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Étude thermomécanique de la Rectification et influence sur l'intégrité de revêtements de chrome dur : introduction de la topographie des meules dans un modèle d'abrasion
2015Co-Authors: Benjamin WeissAbstract:La Rectification est un procédé de fabrication permettant d’obtenir des états de surface très fins. Elle est généralement utilisée sur des matériaux très durs pour lesquels les autres procédés d’usinage ne sont pas adaptés. La Rectification fait intervenir des mécanismes d’enlèvement de matière complexes encore difficiles à maitriser. Ils se produisent à des échelles microscopiques délicates à mettre en évidence. De plus, la Rectification fait intervenir des énergies mécaniques et thermiques conséquentes qui peuvent endommager la pièce à usiner. La compréhension de ces phénomènes est donc nécessaire pour améliorer ce procédé en termes de productivité et de qualité. Dans ces travaux, plusieurs axes de recherche ont été développés aussi bien en étudiant la pièce rectifiée que l’évolution de l’outil abrasif de Rectification. Des analyses ont été réalisées sur le revêtement de chrome et le substrat. Elles nous ont permis de détecter les variations de la texture cristallographique, des contraintes superficielles et de la dureté liées au procédé sur le revêtement de chrome, mais également sur le substrat qui peut également être affecté. Les grandeurs mesurées in process (puissance, efforts et température à l’interface meule/pièce) couplées à des simulations par éléments finis nous ont permis de caractériser la propagation du flux de chaleur à travers la pièce rectifiée et les conditions nécessaires pour ne pas l’endommager. L’évolution de la surface abrasive de la meule a fait l’objet d’une étude avancée avec la mise en place d’une mesure indirecte par empreinte, mesurée ensuite à l’aide d’un microscope optique confocal. Une méthode de redressement et de filtrage de la topographie a été développée. A partir de la topographie, la densité de grains et un profil de grain moyen ont été déterminés. Ceux-ci nous ont permis de mieux comprendre les modes d’usure de différentes technologies de meules abrasives. Cette modélisation de la topographie est introduite dans un modèle analytique d’abrasion afin de déterminer les efforts tangentiels de Rectification en fonction de l’usure de la meule. Une comparaison des efforts tangentiels aux valeurs mesurées est réalisée pour différentes conditions de Rectifications et différentes technologies de meules
Chuang Zhang - One of the best experts on this subject based on the ideXlab platform.
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Perturbation theory of thermal Rectification.
Physical Review E, 2020Co-Authors: Chuang Zhang, Zhaoli Guo, Songze ChenAbstract:In this paper, a perturbation theory of thermal Rectification is developed for a thermal system where an effective thermal conductivity throughout the system can be identified and changes smoothly and slightly. This theory provides an analytical formula of the thermal Rectification ratio with rigorous mathematical derivations and physical assumptions. The physical meanings and limitations of the present theory are discussed in detail. Furthermore, a physical relationship among the thermal Rectification, system length, temperature difference, and thermal conductivity is built. It reveals the linear relationship between the thermal Rectification ratio and temperature difference. Also, the size dependence of the thermal Rectification relies on the specific form of the thermal conductivity. In addition, several previous experimental and numerical observations are well explained by this theory.
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radial thermal Rectification in concentric silicon ring from ballistic to diffusive regime
International Journal of Heat and Mass Transfer, 2020Co-Authors: Chuang Zhang, Songze ChenAbstract:Abstract In this work, the radial thermal Rectification in concentric silicon ring is studied based on the phonon Boltzmann transport equation. In the ballistic and diffusive limits, the analytical solutions reveal no thermal Rectification. In the ballistic-diffusive regime, numerical results show that the thermal conductivity is a nonseparable function of the spatial position and local temperature. In addition, the heat prefers to flow from the inner boundary to the outer one, which characterizes the thermal Rectification. As the distance between two circular boundaries increases from tens of nanometers to tens of microns, the thermal Rectification ratio increases first and then decreases gradually. Similar size-dependent thermal Rectification phenomena can be observed with different reference temperatures and radius ratios. It is mainly attributed to the asymmetric phonon transport and rapidly changing thermal conductivity in the ballistic-diffusive regime.
Emmanuel Pereira - One of the best experts on this subject based on the ideXlab platform.
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Heat Rectification on the XX chain.
Physical review. E, 2020Co-Authors: Saulo H S Silva, Gabriel T Landi, Raphael C Drumond, Emmanuel PereiraAbstract:In order to better understand the minimal ingredients for thermal Rectification, we perform a detailed investigation of a simple spin chain, namely, the open XX model with a Lindblad dynamics involving global dissipators. We use a Jordan-Wigner transformation to derive a mathematical formalism to compute the heat currents and other properties of the steady state. We have rigorous results to prove the occurrence of thermal Rectification even for slightly asymmetrical chains. Interestingly, we describe cases where the Rectification does not decay to zero as we increase the system size, that is, the Rectification remains finite in the thermodynamic limit. We also describe some numerical results for more asymmetrical chains. The presence of thermal Rectification in this simple model indicates that the phenomenon is of general occurrence in quantum spin systems.
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Thermal Rectification in graded materials.
Physical review. E Statistical nonlinear and soft matter physics, 2012Co-Authors: Jiao Wang, Emmanuel Pereira, Giulio CasatiAbstract:In order to identify the basic conditions for thermal Rectification we investigate a simple model with nonuniform, graded mass distribution. The existence of thermal Rectification is theoretically predicted and numerically confirmed, suggesting that thermal Rectification is a typical occurrence in graded systems, which are likely to be natural candidates for the actual fabrication of thermal diodes. In view of practical implications, the dependence of Rectification on the asymmetry and system's size is studied.
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Thermal Rectification in quantum graded mass systems
Physics Letters A, 2010Co-Authors: Emmanuel PereiraAbstract:We show the existence of thermal Rectification in the graded mass quantum chain of harmonic oscillators with self-consistent reservoirs. Our analytical study allows us to identify the ingredients leading to the effect. The presence of Rectification in this effective, simple model (representing graded mass materials, systems that may be constructed in practice) indicates that Rectification in graded mass quantum systems may be an ubiquitous phenomenon. Moreover, as the classical version of this model does not present Rectification, our results show that, here, Rectification is a direct result of the quantum statistics.
