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Natural convection solid/liquid phase change in porous media

1988; Elsevier BV; Volume: 31; Issue: 1 Linguagem: Inglês

10.1016/0017-9310(88)90220-7

1879-2189

C. Beckermann, R. Viskanta,

Lattice Boltzmann Simulation Studies

A combined numerical and experimental study is reported of solid/liquid phase change in porous media with natural convection in the melt region. The model is based on volume averaged transport equations, while phase change is assumed to occur over a small temperature range. Experiments are performed in a vertical, square enclosure using gallium and glass beads as the fluid and the porous matrix, respectively. For natural convection, melting and solidification (with initial supercooling), the numerical results show reasonable agreement with the temperature and interface position measurements. Natural convection in the melt as well as heat conduction in the solid is found to considerably influence the interface shape and movement during both the melting and solidification experiments. Une étude à la fois numérique et expérimentale traite du changement de phase solide/liquide dans les milieux poreux, avec convection naturelle dans la région fondue. Le modèle est basé sur les équations de transport moyennées en volume, tandis que le changement de phase est supposé se produire dans un petit intervalle de température. Des expériences sont faites dans une enceinte carrée, verticale, utilisant des lits de gallium et de verre respectivement comme fluide et matrice poreuse. Pour la convection naturelle, la fusion et la solidification (avec sous-refroidissement initial), les résultats numériques montrent un accord raisonnable avec les mesures de température et de position de l'interface. La convection naturelle dans le bain et la conduction thermique dans le solide est trouvée influencer considérablement la forme de l'interface et son mouvement pendant les expériences de fusion aussi bien que de solidification. Es wird über eine kombinierte numerische und experimentelle Untersuchung des Fest/Flüssig-Phasenwechsels in porösen Medien bei natürlicher Konvektion in der Schmelzzone berichtet. Das Modell beruht auf volumen-gemittelten Transportgleichungen, wobei angenommen wird, daβ der Phasenwechsel innerhalb eines kleinen Temperaturbereiches stattfindet. In einem vertikalen quadratischen Behëlter werden Versuche durchgeführt, als Flüssigkeit und poröse Matrix werden Gallium bzw. Glasperlen verwendet. Die numerischen Ergebnisse zeigen für natürliche Konvektion, den Schmelzvorgang und die Erstarrung (mit innerer Unterkühlung) beachtliche Übereinstimmung mit Messungen der Temperatur und der Lage der Phasengrenze. Es wurde herausgefunden, daβ sowohl natürliche Konvektion in der Schmelze als auch Wärmeleitung in der festen Phase die Form und die Verschiebung der Phasengrenze bei Schmelz und Erstarrungsversuchen beträchtlich beeinflussen. чиcлeHHo и экcпepиMeHтaльHo иccлeдoвaH фaзoвый пepeчoд из твepдoгo cocтoяHия в жидкoe в пopиcтыч cpeдaч пpи плaвлeHии и ecтecтвeHHoй кoHвeкции. Moдeль ocHoвaHa Ha ypaвHeHияч ocpeдHeHHoгo пo oбъeMy пpoцecca пepeHoca в пpeдпoлoжeHии, чтo фaзoвый пepeчoд пpoиcчoдит в HeбoльшoM диaпaзoHe изMeHeHия тeMпepaтyp. ЭкcпepиMeHты выпoлHeHы в вepтикaльHoй квaдpaтHoй пoлocти, в кoтopoй гaллий и cтeкляHHыe шapики иcпoльзoвaлиcь в кaчecтвe жидкocти и пopиcтoй Maтpицы. чиcлeHHыe peзyльтaты для ecтecтвeHHoй кoHвeкции, плaвлeHия и зaтвepдeвaHия (пpи Haличии пepвoHaчaльHoгo пepeoчлaждeHия) чopoшo coглacyютcя c дaHHыMи изMepeHий тeMпepaтypы и пoлoжeHия пoвepчHocти paздeлa. HaйдeHo, чтo ecтecтвeHHaя кoHвeкция в pacплaвe, a тaкжe тeплoпpoвoдHocть твepдoй фaзы cyщecтвeHHo влияют Ha фopMy и пoлoжeHиe пoвepчHocти paздeлa пpи HлaвлeHии и зaтвepдeвaHии.