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Double-diffusive convection due to melting

1988; Elsevier BV; Volume: 31; Issue: 10 Linguagem: Inglês

10.1016/0017-9310(88)90118-4

1879-2189

C. Beckermann, R. Viskanta,

Advanced Mathematical Modeling in Engineering

A combined numerical and experimental study is reported of melting of a vertical ice layer into an ammonium chloride-water solution inside a square cavity. The governing equations are solved utilizing an algorithm which is based on curvilinear, non-orthogonal control volumes. The numerical results are successfully validated through shadowgraph, flow visualization, temperature and concentration measurements. It is found that the melting process induces temperature and concentration gradients in the initially homogeneous liquid. Due to the double-diffusive nature of the system, this results in the development of a stable concentration stratification above a layer of strongly convecting, uncontaminated liquid. It is conclusively shown that the double-diffusive convection processes cause considerable variations in the local melting rates and the interfacial temperature and concentration distributions. The heat transfer rates at the vertical walls of the cavity and the heat conduction in the solid region strongly reflect the time evolution of the double-diffusive convection phenomena induced by the melting process. On étudie numériquement et expérimentalement la fusion d'une couche de glace verticale dans une solution aqueuse de chlorure d'ammonium à l'intérieur d'une cavité carrée. Les équations sont résolues avec un algorithme basé sur des volumes de contrôle curvilinéaires et non orthogonaux. Ces résultats numériques sont validés par la méthode d'ombre pour visualiser, par les mesures de température et de concentration. On trouve que le mécanisme de fusion induit des gradients de température et de concentration dans le liquide intialement homogène. A cause de la nature doublement diffusive du système, il se développe une stratification stable en concentration au dessus d'une couche de liquide non contaminée avec forte convection. On montre que les mécanismes de convection à double diffusion cause des variations considérables dans les vitesses locales de fusion et distributions interfaciales de température et de concentration. Les flux thermiques sur les parois verticales de la cavité et la conduction thermique dans la région solide reflètent fortement l'évolution dans le temps des phénomènes de convection doublement diffusifs induits par la fusion. Es wird eine kombinierte numerische und experimentelle Studie zum Schmelzen einer vertikalen Eisschicht in einer Ammoniumchlorid-Wasser Lösung in einem quadratischen Hohlraum vorgestellt. Die Bilanz-Gleichungen werden unter Benutzung eines Algorithmus' gelöst, der auf körperkonturangepaβten, nicht orthogonalen Kontrollvolumina basiert. Die numerischen Ergebnisse werden durch Schattenaufnahmen, Sichtbarmachung der Strömung, Temperatur- und Konzentrationsmessungen bestätigt. Es zeigte sich, daβ der Schmelzprozess Temperatur- und Konzentrationsgradienten in der anfangs homogenen Flüssigkeit hervorruft. Da das System temperatur- und konzentrationsgetriebene Konvektion aufweist, ergibt sich eine stabile Konzentrationsschichtung über einer Schicht stark zirkulierender, nicht verunreinigter Flüssigkeit. Abschlieβend wird gezeigt, daβ der Konvektionsprozess erhebliche Schwankungen der lokalen Schmelzgeschwindigkeit und der Temperatur- und Konzentrationsverteilung an der Grenzschicht hervorruft. Der Wärmeübergang an den vertikalen Wänden des Hohlraumes und die Wärmeleitung im Festkörper werden sehr stark von der zeitlichen Entwicklung der Konvektionsphänomene beeinfluβt, die vom Schmelzvorgang hervorgerufen werden. ч;иCлeH;H;o и зкCпepимeH;TaльH;o иCCлeдyeTCя TaяH;иe вepTикaльH;oгo Cлoя льдa в вoдH;oм paCTвope ч;лopиCToгo aммoH;ия вH;yTpи квaдpaTH;oй пoлoCTи. Для peшeH;ия oпpeдeляющич; ypaвH;e-H;ий иCпoльзyeTCя aлгopиTм, oCH;oвaH;H;ый H;a мeToдe кpивoлиH;eйиoгo H;eopToгoH;aльH;oгo кoH;Tpoль-H;oгo oбQweмa. TeH;eвaя фoToгpaфия, визyaлизaция пoToкa, a Taкжe измepeH;ия TeмпepaTypы и кoH;цeH;Tpaции пoлH;oCTью пoдTвepждaюT пoлyч;eH;H;ыe ч;иCлeH;H;ыe peзyльTaTы. H;aйдeH;o, ч;To в пpo-цeCCe плaвлeH;ия в oдH;opoдH;oй вH;aч;aлe жидкoCTи вoзH;икaюT гpaдиeH;Tы TeмпepaTypы и кoH;цeH;Tpa-ции. CoвмeCTH;aя Teплoвaя и кoH;цeH;TpaциoH;H;aя кoH;вeкция в CиCTeмe пpивoдяT к paзвиTию yCToйч;ивoй кoH;цeH;TpaциoH;H;oй CTpaTификaции H;aд Cлoeм ч;иCToй жидкoCTи, H;aч;oдящeйCя в CoCToя-H;ии иH;TeH;CивH;oгo движeH;ия. ПoкaзaH;o, ч;To пpoцeCC CoвмeCTH;oй кoH;вeкции вызывaeT зH;aч;иTeль-иыe измeH;eH;ия лoкaльH;ыч; CкopoCTeй TaяH;ия иpaCпpeдeлeH;ий TeмпepaTypы и кoH;цeH;Tpaции H;a гpaH;ицe paздeдa фaз. ИиTeH;CивH;oCTь пepeH;oCa Teплa y вepTикaльH;ыч; CTeH;oк пoлoCTи и пepeдaч;a TeплaTeплoпpoвoдH;oCTью в Tвepдoй фaзe CильH;o зaвиCяT oT paзвиTия вo вpeмeH;и eoвмeCTH;oй Teплoвoй и кoH;цeH;TpaциoH;H;oй кoH;вeкции пpи плaвлeH;ии.