Tytuł pozycji:
Konwekcja naturalna z przemianą fazową w układach jednoskładnikowych i binarnych
W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i analiz teoretycznych konwekcji swobodnej w zamarzających układach jednoskładnikowych (woda, n-octadecan) i binarnych (wodne roztwory soli). Celem tych studiów było dokładniejsze, jakościowe i ilościowe, poznanie fizyki złożonych mechanizmów wymianu ciepła w procesach przemian fazowych ciecz-ciało stałe, występujących powszechnie w naturze i technice. Na zbudowanym stanowisku pomiarowym przeprowadzono wnikliwe badania procesu zamarzania czystej wody poprzez wizualizajcę chwilowych pól preędkości i temperatury, przy wykorzystaniu zawiesiny ciekłych kryształów jako cząstek wskaźnikowych, sekwencyjnej korelacji i komputerowej rejestracji obrazów przepływu oraz termografii w podczerwieni do pomiaru i rejestracji pola temperatury ścianek bocznych kuwety pomiarowej. Uzyskane szczegółowe obrazy struktury przepływu, pól prędkości i temperatury oraz chwilowych położeń granicy rozdziału faz dają obraz znaczącej roli konwekcji swobodnej w przebiegu analizowanego zjawiska. Mogą być też wykorzystane jako eksperymentalny wzorzec do weryfikacji dokładności i wiarygodności modeli symulacji komputerowej procesów przemian fazowych w układach jednoskładnikowych. Badania wizualizacyjne konwekcji swobodnej w zamarzających wodnych roztworach chlorku sodu pokazują stagnację przepływu w stanie ustalonym. W celu lepszego poznania przyczyn tego efektu dokonano pomiaru stężenia soli NaCl metodą sond rezystancyjnych z jednoczesną rejestracją pola prędkości oraz analizy frontu zmiany gęstości, wywołanej zmianą koncentracji NaCl, przy użyciu techniki smugowej Schlierena. Wstępne rezultaty pomiarów pola prędkości i koncentracji wskazują na wyraźną stratyfikację przepływu. Zaproponowano nową metodę opisu procesów wymiany ciepła i składnika w obszarze dwufazowym ("mushy zone"), pojawiającym wię przy krzepnięciu układów binarnych, w której makroskopowe, efektywne właściwości termofizyczne wyznaczone są na podstawie uśrednień po zbiorze różnych realizacji mikrostruktury ośrodka. Opracowano modele numeryczne i bibliotekę programów metody elementów skończonych do symulacji nieustalonych zjawisk krzepnięcia i topnienia z konwekcją w fazie ciekłej dla układów binarnych o złożonej, dwuwymiarowej geometrii. Oparto je na modelu pojedynczego kontinuum, teorii roztworów, entalpowym opisie procesu przemiany fazowej oraz modelowaniu obszaru dwufazowego jako anizotropowego medium porowatego. Obliczeniowo-efektywne algorytmy tych programów uzyskano przez zastosowanie sekwencyjnego i iteracyjnego rozwiązania sprzężonych układów równań zachowania masy, pędu, składnika i energii oraz różnych technik rozdziału w czasie. Wykorzystano je następnie w analizie wpływu anizotropii przepuszczalności i przewodności cieplnej oraz dyspersji ciepła na procesy transportu w obszarze dwufazowym, na przykładzie rozcieńczonych roztworów wodnych chlorku amonu.
The paper presents results of both experimental and theoretical analyses of natural convection in solidifying one-component (pure water, n-octadecan) and binary (aqueous solutions of salt) systems. The main purpose of this study was to explicate qualitative and quantitative aspects of complex transport phenomena accompanying the solid-liquid phase transition of single- and two-component systems. Experimental set-up had been dessigned and constructed, where the visualization of temporal flow patterns and temperature fields in the solidifying pure water, enclosed in a cubic cavity, was then carried out for diverse thermal boundary conditions. Thermochrimic Liquid Crystals were there used as tracers along with the Particle Image Velocimetry and Thermometry techniques and the infrared thermography was applied to measure temperature distribution within the walls confining the experimental cavity. Thus obtained pictures of flow pattern, velocity and temperature fields and temporal positions of the interface show a significant influence of natural convection and thermal boundary conditions on the progress of the liquid-solid phase transition. Moreover, these detailed data of local temperature and velocity fields create the experimental benchmark, which can be used as a reference standart in the code validation procedure of various computer simulation models for the phase change phenomena of a one-component system driven by conduction and convection. Visualization of flow structure and temperature distribution in solidifying dilute solutions of water and sodium chloride shows the flow stagnation at the steady state. To clarify the phenomenon, this experimental analysis was supplemented with the estimation of the local solute concentration changes, through measuring the electrical resistance of the liquid by small electrodes placed in the fluid, and with the measurement of the liquid density changes through the use of the Schlieren's method. The preliminary results show the effect of flow stratification. New model of complex heat and species transport occurrin in the two-phase region ("mushy zone") was developed. The macroscopic equations (energy and solute conservation equations and the basic macroscopic constitutive relations) describing the process of solidification in binary systems were obtained on the basis of the ensemble averaging technique rather than via commonly used the volume averaging technique. In general these relations are non-local and they account for non-equilibrium processes. The state of the local thermodynamic equilibium was comprehensively discussed and formulae for enthalpy and porosity of the mushy zone were developed. Numerical models and their FEM programs have been created to simulate transient solid-liquid phase change phenomena with convercion in fluid for binary systems of complex two-dimensional geometry. They are based on the single continuum model, theory of mixtures, the enthalpy approach and the anisortopic porous medium model of the mushy zone. Computationally effective algorithms of these computer simulation codes were obtained through the use of the sequentional and iterative solution of the set of coupled mass, momentum, energy and species consevation equations and through the use of some time-splitting technique. Thus developed computational tool was applied to show the significant impact of permeability and thermal conductivity of the mushy zone and negligible influence of thermal dispersion on the transport processes occurring in the two-phrase region of the solidifying dilute solutions of water and ammonium chloride.
