SOLIDIFICATION AND FUSION OF PURE SUBSTANCES UNDER THE INFLUENCE OF LAMINAR AND TURBULENT NATURAL CONVECTION / SOLIDIFICAÇÃO E FUSÃO DE SUBSTÂNCIAS PURAS SOB A INFLUÊNCIA DA CONVECÇÃO NATURAL LAMINAR E TURBULENTA

AUTOR(ES)
FONTE

IBICT - Instituto Brasileiro de Informação em Ciência e Tecnologia

DATA DE PUBLICAÇÃO

12/12/2000

RESUMO

Solidificação e fusão fazem parte de uma classe de problemas transientes de transferência de calor conhecidos como problemas de mudança de fase ou de fronteira móvel. A solução deste classe de problemas envolve uma dificuldade inerente ao processo que é o movimento da interface entre as fases sólida e líquida. Este movimento está relacionado a absorção ou remoção do calor latente na interface. Como consequência a localização da interface sólido/líquido não é conhecida a priori tornando-se parte da solução. No presente trabalho, considera-se a mudança de fase em regime transiente de um material puro, na presença de convecção natural, em uma cavidade fechada bidimensional. A interface entre as fases sólida e líquida se comporta como um contorno bem definido com temperatura igual á tempearatura de mudança de fase do material. O material na fase líquida é considerado um fluido Newtoniano e a aproximação de Boussinesq é utilizada. Tanto na região líquida, quanto na região sólida, as propriedades termofísicas são constantes e uniformes, porém, diferentes entre si. O sistema de coordenadas adotado é aquele onde suas coordenadas adaptam-se ao contorno da geometria, e considerada, quando existe movimento de fronteira e/ou interface, sua velocidade de deslocamento. A intensidade na qual o fluido se movimenta provoca mudanças na forma da interface e é de fundamental importância no fenômeno da mudança na fase. No começo do processo de mudança de fase, o modo de transferência de calor na fase líquida é devido somente á condução de calor. Á medida que a velocidade do fluido aumenta, o processo de de transferência de calor ao longo da interface. Além disso, como as partículas fluidas se deslocam mais rapidamente há uma melhor distribuição destas taxas ao longo da interface, com uma diminuição em sua curvutura. O modelo de turbulência selecionado pertence à família de modelos k-e. O modelo k-E tradicional é utilizado no núcleo turbulento, e um outro conjunto de equações desenvolvido a partir de dados de simulação numérica direta, é utilizado na região próxima as paredes. A metodologia implementada permite determinar naturalmente a transição do regime laminar para o turbulento. O presente trabalho apresenta uma nova metologia na tratamento da interface entre as regiões sólida e líquida. Um volume de controle de espessura zero representa a posição da interface. Uma vez resolvida a equação do balanço combinado de massa e energia na interface, nenhum artifício é necessário para se avaliar sua nova posição. Devido ao salto de massa específica na interface alguma variação no volume total do material é esperada. Entretanto, o modelo atual não prevê aumento no volume total do material e algum artifício deve ser utilizado para adicionar ou retirar massa do domínio. A utilização do volume de controle zero na interface permite retirar ou adicionar massa sem necessidade de termos de fonte adicionais. Também é utilizado o artifício de redistribuir os pontos nodais entre as fases sólidas e líquida no intuito de não alocar muitos pontos nodais em regiões de pequenas espessuras. A redistribuição de pontos garante um refinamento melhor junto á interface e, possibilita a utilização de maiores intervalos de tempo sem introduzir dificuldade de convergência. O resultados numéricos são comparados a dados experimentais e resultados numéricos para os processos de fusão e solidificação de materiais puros. A boa concordância com dados experimentais revela que a metodologia apresenta resulta numa melhora na resolução deste tipo de problemas.

ASSUNTO(S)

solidificacao solidification fusao melting substancias puras pute substances conveccao natural natural convection turbulencia turbulence

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