Modelización numérica y física de la interacción de partículas con interfases de solidificación
2011
| Tesista | Eliana Mabel AGALIOTIS Ingeniera Química – Universidad Nacional de Misiones - Argentina Doctora en Ciencia y Tecnología, Mención Materiales - UNSAM/CNEA - Argentina |
| Director | Dr. Carlos SCHVEZOV. UNaM, CONICET - Argentina |
| Codirectora | Dra. Alicia Esther ARES. UNaM, CONICET - Argentina |
| Lugar de realización | Programa de Materiales, Modelización y Metrología - Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales – Universidad Nacional de Misiones - Argentina |
| Fecha Defensa | 29/03/2011 |
| Jurado | Dr. Ing. Gustavo SÁNCHEZ SARMIENTO. KB Engineering, UBA - Argentina Dra. Alicia SARCE. CNEA, UNSAM - Argentina Dr. Eduardo VICENTE. CNEA, UNSAM - Argentina |
| Código | IS/TD 54/11 |
Título completo
Modelización numérica y física de la interacción de partículas con interfases de solidificación
Resumen
Se analiza el fenómeno de pushing mediante modelos numéricos y analíticos de la interacción entre una interfase de solidificación y una partícula esférica, considerando un equilibrio dinámico entre fuerzas de arrastre y de repulsión.
Ambas fuerzas son calculadas por separado y luego combinadas para obtener el valor de equilibrio. La fuerza de arrastre sobre la partícula se calculó utilizando la dinámica de fluidos computacional en función de la velocidad de solidificación, el radio de la partícula y la separación partícula interfase. La fuerza de repulsión se calculó utilizando la ecuación de Lifshitz van der Waals integrando numéricamente en función de la forma y separación de la interfase.
El modelo es aplicado a materiales que solidifican conteniendo partículas metálicas con conductividades térmicas iguales, menores y mayores que la matriz, que resultan en interfases de solidificación planas, convexas y cóncavas respectivamente. El fenómeno de pushing se analiza considerando diferentes velocidades de solidificación y tamaño de partículas.
Se comparan las fuerzas de arrastre obtenidas a partir de las interfases planas, convexas y cóncavas. La forma de las interfases convexas y cóncavas se obtiene a partir de las simulaciones del campo térmico. Los resultados muestran que una interfase cóncava genera fuerzas de arrastre, hasta un orden de magnitud mayor que una interfase plana a una misma separación partícula-interfase, mientras que una interfase convexa genera menores fuerzas de arrastre que una interfase plana.
A partir de los cálculos de las condiciones de equilibrio, se encontró que la velocidad crítica para una interfase cóncava es mayor que para una interfase plana, mientras que una interfase convexa presenta menor velocidad crítica que una interfase plana a una misma distancia y un mismo radio de partícula.
De la comparación con los resultados experimentales se concluye que se puede predecir el rango de velocidades de solidificación en el cual se produce el estado estacionario de pushing
Ambas fuerzas son calculadas por separado y luego combinadas para obtener el valor de equilibrio. La fuerza de arrastre sobre la partícula se calculó utilizando la dinámica de fluidos computacional en función de la velocidad de solidificación, el radio de la partícula y la separación partícula interfase. La fuerza de repulsión se calculó utilizando la ecuación de Lifshitz van der Waals integrando numéricamente en función de la forma y separación de la interfase.
El modelo es aplicado a materiales que solidifican conteniendo partículas metálicas con conductividades térmicas iguales, menores y mayores que la matriz, que resultan en interfases de solidificación planas, convexas y cóncavas respectivamente. El fenómeno de pushing se analiza considerando diferentes velocidades de solidificación y tamaño de partículas.
Se comparan las fuerzas de arrastre obtenidas a partir de las interfases planas, convexas y cóncavas. La forma de las interfases convexas y cóncavas se obtiene a partir de las simulaciones del campo térmico. Los resultados muestran que una interfase cóncava genera fuerzas de arrastre, hasta un orden de magnitud mayor que una interfase plana a una misma separación partícula-interfase, mientras que una interfase convexa genera menores fuerzas de arrastre que una interfase plana.
A partir de los cálculos de las condiciones de equilibrio, se encontró que la velocidad crítica para una interfase cóncava es mayor que para una interfase plana, mientras que una interfase convexa presenta menor velocidad crítica que una interfase plana a una misma distancia y un mismo radio de partícula.
De la comparación con los resultados experimentales se concluye que se puede predecir el rango de velocidades de solidificación en el cual se produce el estado estacionario de pushing
Complete Title
Numerical and physical modelling of particles having solidification interfaces
Abstract
The interaction between the solidification front and a spherical particle was modeled and simulated in order to study the phenomenon of "pushing". This phenomenon is governed by a dynamic balance between drag and repulsion forces.
Both forces are calculated separately and then combined to obtain the equilibrium position. Using computational fluid dynamics, the drag force on the particle is calculated as a function of the solidification rate, the radius of the particle and the particle-interface separation. The repulsion force is calculated using the Lifshitz-van der Waals equation and numerically integrated in terms of the shape and separation of the interface.
The model is applied to a metallic matrix containing particles with similar, lower or higher thermal conductivities than the matrix, resulting in planar, convex and concave interfaces, respectively. For each case the process is simulated at different solidification rates and particle sizes.
Drag forces obtained from the planar interfaces, convex and concave were compared. The shape of the convex and concave interfaces is previously calculated from simulations of the thermal field. The results show that a concave interface gives higher drag forces, about one order of magnitude larger, than those for a planar interface, while a convex interface give lower drag forces than those for a planar interface.
From the calculations of the equilibrium conditions, we found that the critical velocity for a concave interface is higher than for a flat interface, while a convex interface has lower critical speed than a flat interface at the same distance and the same particle radii.
The simulated results were compared with experiments and a good agreement was found. Then, it could be concluded that this model give satisfactory predictions of the solidification speed in which the steady-state of pushing occurs.
Both forces are calculated separately and then combined to obtain the equilibrium position. Using computational fluid dynamics, the drag force on the particle is calculated as a function of the solidification rate, the radius of the particle and the particle-interface separation. The repulsion force is calculated using the Lifshitz-van der Waals equation and numerically integrated in terms of the shape and separation of the interface.
The model is applied to a metallic matrix containing particles with similar, lower or higher thermal conductivities than the matrix, resulting in planar, convex and concave interfaces, respectively. For each case the process is simulated at different solidification rates and particle sizes.
Drag forces obtained from the planar interfaces, convex and concave were compared. The shape of the convex and concave interfaces is previously calculated from simulations of the thermal field. The results show that a concave interface gives higher drag forces, about one order of magnitude larger, than those for a planar interface, while a convex interface give lower drag forces than those for a planar interface.
From the calculations of the equilibrium conditions, we found that the critical velocity for a concave interface is higher than for a flat interface, while a convex interface has lower critical speed than a flat interface at the same distance and the same particle radii.
The simulated results were compared with experiments and a good agreement was found. Then, it could be concluded that this model give satisfactory predictions of the solidification speed in which the steady-state of pushing occurs.
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