بهبود روش آنتالپی-تخلخل جهت مدل‌سازی انجماد آب و پیش‌بینی مرز متحرک جامد تحت تأثیر انتقال حرارت جابه‌جایی طبیعی در یک حفره

Abstract

تشکیل یخ بر روی سطحی جامد که دمای آن پایین‌تر از دمای انجماد آب است و همچنین شکل مرز یخ، اثرات مهمی در مسائل مختلف داشته و تعیین موقعیت مرز یخ در طول زمان و تأثیر جریان فاز مایع بر شکل مرز یخ از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشد. حل تحلیلی برای این پدیده‌ پیچیده و گذرا غیر ممکن می‌باشد و همچنین ابزار آزمایشگاهی پرهزینه برای شناخت فرآیند تشکیل یخ لازم است. روش آنتالپی-تخلخل به‌طور معمول برای شبیه‌سازی عددی فرآیند انجماد مواد با خواص ترموفیزیکی مشابه در دو فاز مایع و جامد استفاده می‌شود. در این پژوهش با توجه به تغییرات عمده خواص ترموفیزیکی آب در هنگام تشکیل یخ، روش مذکور با تعریف و اعمال توابعی برحسب خواص ترموفیزیکی و ایجاد تابعی پیوسته برای تبیین کسر حجمی مایع، توسعه و بهبود داده شده است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی با این روش پیشنهادی، برای مسئله انجماد آب مایع در داخل یک حفره با نتایج موجود تجربی و عددی قبلی مقایسه شده است. مشاهده نتایج در الگوی دقیق تشکیل دو گردابه و عمود ماندن مرز فاز جامد بر دیواره پایینی در فرآیند رشد یخ، موفقیت مدل مذکور را در مقایسه با تحقیقات مشابه تأیید می‌کند. همچنین مقایسه نتایج نشان‌دهنده پیش‌بینی بهتر شکل مرز جامد و بهبود متوسط مقادیر حاصل به‌میزان 4% نسبت به شبیه‌سازی‌های عددی اخیر می‌باشد.