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Effect of anisotropic permeability on the transport process during solidification of a binary mixture

1992; Elsevier BV; Volume: 35; Issue: 10 Linguagem: Francês

10.1016/0017-9310(92)90076-5

1879-2189

Hoseon Yoo, R. Viskanta,

Phase Change Materials Research

Solidification of a binary mixture (NH4Cl-H2O) contained in a square cavity is simulated numerically. The anisotropic permeability of the mushy region is incorporated in the model by means of a specific permeability tensor and the principal permeability ratio R. Comparison of representative results with previously reported experimental data shows that the model is capable of resolving fundamental characteristics of the solidification process. Effects of the anisotropy appear to be significant. A small permeability ratio R not only promotes the growth of the secondary layer but also results in a large concentration difference between the mushy and the pure liquid regions. Due to the liquidus temperature depression by higher concentration and the earlier developed thermal convection in the upper layer, severe remelting is also found to occur. In addition, flow interaction across the macroscopic solidification front becomes stronger with increasing permeability ratio R. On simule numériquement la solidification d'un mélange binaire (NH4Cl-H2O) contenu dans une cavité carrée. La perméabilité anisotrope de la région boueuse est incorporée dans le modèle par un tenseur de perméabilité spécifique et le rapport R de perméabilité. La comparaison des résultats avecdés données expérimentales connues montre que le modèle est capable de résoudre les caractéristiques fondamentales du mécanisme de solidification. Les effets de l'anisotropie paraissent être sensibles. Un petit rapport R de perméabilité aide à la croissance d'une couche secondaire mais aussi conduit à une grande différence de concentration entre la zone boueuse et celle de liquide pur. A cause de l'abaissement de la température du liquidus par une concentration élevée, et de la convection thermique développée plus tôt dans la couche supérieure, il se produit une fusion. De plus, l'interaction d'écoulement à travers le front de solidification macroscopique devient plus importante quand le rapport R de perméabilité augmente. Die Erstarrung eines in einem quadratischen Hohlraum enthaltenen Zweistoffgemisches (NH4Cl-H2O) wird numerisch untersucht. Die anisotrope Permeabilität des Verfestigungsgebietes wird mit Hilfe des spezifischen Permeabilitätstensors und des Permeabilitätsverhältnisses R in das Modell eingegliedert. Ein Vergleich der Ergebnisse mit früher berichteten Versuchsdaten zeigt, daβ das Modell in der Lage ist, fundamentale Eigenschaften des Erstarrungsvorgangs zu beschreiben. Die Auswirkungen der Anisotropie scheinen dabei signifikant zu sein. Ein kleines Permeabilitätsverhältnis R fördert nicht nur das Wachstum der Sekundärschicht, sondern ergibt auβerdem eine groβe Konzentrationsdifferenz zwischen dem Erstarrungsgebiet und der reinen Flüssigkeit. Es ergibt sich auch ein Wiederaufschmelzen aufgrund der konzentrationsbedingten Erniedrigung der Verflüssigungstemperatur und der bereits früher entwickelten thermischen Konvektion in der oberen Schicht. Zudem wird die Wechselwirkung der Flüssigkeit an der makroskopischen Erstarrungsfront mit wachsendem Permeabilitätsverhältnis R stärker. чиcлe;ннo; мo;дe;лиpye;тcя зaтвe;pдe;вaниe; бинapнo;й cмe;cи (NH4Cl-H2O), co;дe;pжaщe;йcя в пo;лo;cти квaдpaтнo;гo; ce;чe;ния. Aнизo;тpo;пнaя пpo;ницae;мo;cть двyчфaзнo;й зo;ны yчитывae;тcя cпe;циaльным тe;нзo;po;м пpo;ницae;мo;cти и o;тнo;шe;ниe;м глaвныч пpo;нипae;мo;cтe;й R. Cpaвнe;ниe; pe;зyльтaтo;в c paнe;e; o;пyбликo;вaнными экcпe;pимe;нтaльными дaнными пo;кaзывae;т, чтo; paccмaтpивae;мaя мo;дe;ль пo;звo;ляe;т o;пpe;дe;лить o;cнo;вныe; o;co;бe;ннo;cти пpo;цe;cca зaтвe;pдe;вaния. Пo;кaзaнo;, чтo; эффe;кты aнизo;тpo;пии являютcя cyщe;cтвe;нными. Maлo;e; знaчe;ниe; o;тнo;щe;ния пpo;ницae;мo;cтe;й R нe; тo;лькo; cпo;co;бcтвye;т po;cтy втo;pичнo;гo; cлo;я, нo; и пpивo;дит к бo;льщo;й paзнo;cти кo;нцe;нтpaций двyчфaзнo;й и жидкo;й o;блacтe;й. Kpo;мe; тo;гo;, блaгo;дapя cнижe;нию тe;мпe;paтypы ликвидyca зa cчe;т бo;льщe;й кo;нцe;нтpaции и бo;лe;e; paннe;гo; paзвития тe;плo;вo;й кo;нвe;кции в вe;pчнe;м cлo;e; пpo;иcчo;дит интe;нcивнo;e; втo;pичнo;e; плaвлe;ниe;. Bзaимo;дe;йcтвиe; фaз чe;pe;з мaкpo;cкo;пичe;cкий фpo;нт зaтвe;pдe;вaния ycиливae;тcя c yвe;личe;ниe;м o;тнo;шe;ния пpo;ницae;мo;cтe;й R.