Крупномасштабный перенос компонентов металлических расплавов в тонких капиллярах

Главная

Статья в Elpub

РУС ENG

Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2017; 48: 57-69

Крупномасштабный перенос компонентов металлических расплавов в тонких капиллярах

Демин В. А., Петухов М. И.

https://doi.org/10.17223/19988621/48/6

Аннотация

Выполнено прямое численное моделирование термоконцентрационной конвекции бинарного металлического расплава, заключенного в тонком вертикально ориентированном капилляре при наличии на его боковой поверхности градиента температуры, направленного вертикально вверх. Особое внимание в ходе расчетов было уделено объяснению эффекта продольного разделения смеси на компоненты. Само явление достоверно воспроизводится в разных по постановке экспериментах, однако до сих пор не имеет теоретического обоснования. В предлагаемой модели сделана попытка учесть наиболее важные физические факторы, необходимые для того, чтобы воспроизвести в расчетах все основные эффекты, наблюдаемые в опыте. По результатам вычислительного эксперимента было подтверждено, что наличие продольных градиентов температуры и концентрации совместно с условием несмачивания на боковой поверхности создает опускное термокапиллярное течение, которые вкупе с эффектами адсорбции-десорбции влекут за собой образование объемной неоднородности концентрации компонентов смеси в капилляре.

Список литературы

1. Братухин Ю.К., Макаров С.О. Гидродинамическая устойчивость межфазных поверхностей. Пермь: Изд-во Пермск. ун-та, 2005. 240 с.

2. Гаврилин И.В., Фролова Т.Б., Захаров В.П. О ликвации в жидких эвтектических расплавах // Изв. АН СССР. Металлы. 1984. № 3. С. 191-193.

3. Гаврилин И.В. Седиментационный эксперимент при изучении жидких сплавов // Изв. АН СССР. Металлы, 1985. № 2. С. 66-73.

4. Демин В.А. Оседание наночастиц в однородной несущей жидкости при наличии термодиффузии // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. 2013. Вып. 1 (23). С. 20-24.

5. Глухов А.Ф., Демин В.А., Третьяков А.В. О влиянии термодиффузии на перераспределение примеси при остывании столба бинарной жидкости // Изв. Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 11. С. 118-127.

6. Демин В.А., Петухов М.И. К вопросу о механизме крупномасштабного переноса компонентов металлических расплавов в неоднородно нагретых тонких капиллярах // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. 2016. Вып. 3(34). С. 65-71. DOI: 10.17072/1994-3598-2016-3-65-71.

7. Slavtchev S., Hennenberg M., Legros J.-C., Lebon G. Stationary solutal Marangoni instability in a two-layer system // J. Colloid and Interface Science. 1998. V. 203. No. 2. P. 354-368. DOI: 10.1006/jcis.1998.5525.

8. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972. 392 с.

9. Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности: учебник-монография. Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. 568 с.

10. Бирих Р.В. Устойчивость однородной нестационарной диффузии ПАВ через плоскую границу раздела жидкостей // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. 2016. Вып. 1 (32). С. 64-70. DOI: 10.17072/1994-3598-2016-3-64-70.

11. Birikh R.V., Briskman V.A., Velarde M., Legros J.-C. Liquid Interfacial Systems: Oscillations and Instability. CRC Press, 2003. 392 p.

12. Тарунин Е.Л. Вычислительный эксперимент в задачах свободной конвекции: учеб. пособие. Иркутск: изд-во Иркут. ун-та, 1990. 228 с.

Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2017; 48: 57-69

Large-scale transfer of molten metal components in thin capillaries

Demin V. A., Petukhov M. I.

https://doi.org/10.17223/19988621/48/6

Abstract

The results of direct numerical simulation of the concentration-induced convection have been presented in this paper. A binary melt of the liquid metals filling a vertical thin capillary with a non-uniform temperature distribution on the boundaries has been considered. It is assumed that the absolute nonwetting condition takes place on the sidewalls of a channel. This effect gives rise to a free surface on the vertical boundaries where the thermocapillary force occurs due to the external longitudinal temperature gradient, which provides the motion of the liquid elements at a long distance compared with an axial size of the capillary. The adsorption-desorption processes occurring along the surface, thermocapillary force, convective motion in a volume, and diffusion are all characterized by essentially different characteristic time. These mechanisms generate both the large-scale process of circulation with a motion of admixture on the surface at the hot top of the capillary with the following transfer down along the boundary due to the thermocapillary force, and the final return into the volume as a consequence of desorption at the bottom of the capillary. The numerical calculations have been performed using the PGU-Tesla supercomputer of the Research Academic Center "Parallel and Distributed Calculations" at Perm State National Research University. The finite difference method has been applied. The numerical code has been written with the use of Fortran-90 programming language. The calculation results show that the lifting speed of the motion back into the volume is less than that on the surface. Therefore, the admixture at the stage of saturation can be accumulated near the bottom of the capillary. The steady-state flow is stationary and it is determined as in the volume as on the surface predominantly by the Marangoni number. Intensity of the motion and adsorption-desorption processes on the free boundary effect essentially on the formation of both the surface and volume concentration fields and the speed of redistribution of components in the volume. Thus, one of the possible mechanisms of longitudinal division of the liquid binary mixtures into components in thin channels has been demonstrated. This modeling can explain the results of some experiments on division of heterogeneous binary metal melts.

References

1. Bratukhin Yu.K., Makarov S.O. Gidrodinamicheskaya ustoichivost' mezhfaznykh poverkhnostei. Perm': Izd-vo Permsk. un-ta, 2005. 240 s.

2. Gavrilin I.V., Frolova T.B., Zakharov V.P. O likvatsii v zhidkikh evtekticheskikh rasplavakh // Izv. AN SSSR. Metally. 1984. № 3. S. 191-193.

3. Gavrilin I.V. Sedimentatsionnyi eksperiment pri izuchenii zhidkikh splavov // Izv. AN SSSR. Metally, 1985. № 2. S. 66-73.

4. Demin V.A. Osedanie nanochastits v odnorodnoi nesushchei zhidkosti pri nalichii termodiffuzii // Vestnik Permskogo universiteta. Seriya: Fizika. 2013. Vyp. 1 (23). S. 20-24.

5. Glukhov A.F., Demin V.A., Tret'yakov A.V. O vliyanii termodiffuzii na pereraspredelenie primesi pri ostyvanii stolba binarnoi zhidkosti // Izv. Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. 2015. T. 326. № 11. S. 118-127.

6. Demin V.A., Petukhov M.I. K voprosu o mekhanizme krupnomasshtabnogo perenosa komponentov metallicheskikh rasplavov v neodnorodno nagretykh tonkikh kapillyarakh // Vestnik Permskogo universiteta. Seriya: Fizika. 2016. Vyp. 3(34). S. 65-71. DOI: 10.17072/1994-3598-2016-3-65-71.

8. Gershuni G.Z., Zhukhovitskii E.M. Konvektivnaya ustoichivost' neszhimaemoi zhidkosti. M.: Nauka, 1972. 392 s.

9. Roldugin V.I. Fizikokhimiya poverkhnosti: uchebnik-monografiya. Dolgoprudnyi: Izdatel'skii Dom «Intellekt», 2011. 568 s.

10. Birikh R.V. Ustoichivost' odnorodnoi nestatsionarnoi diffuzii PAV cherez ploskuyu granitsu razdela zhidkostei // Vestnik Permskogo universiteta. Seriya: Fizika. 2016. Vyp. 1 (32). S. 64-70. DOI: 10.17072/1994-3598-2016-3-64-70.

11. Birikh R.V., Briskman V.A., Velarde M., Legros J.-C. Liquid Interfacial Systems: Oscillations and Instability. CRC Press, 2003. 392 p.

12. Tarunin E.L. Vychislitel'nyi eksperiment v zadachakh svobodnoi konvektsii: ucheb. posobie. Irkutsk: izd-vo Irkut. un-ta, 1990. 228 s.

Крупномасштабный перенос компонентов металлических расплавов в тонких капиллярах

Аннотация

Large-scale transfer of molten metal components in thin capillaries

Abstract

События