PREDICCION DE CONVECCION NATURAL, SOLIDIFICACION Y FUSION DE METALES, SALES Y ALEACIONES
N. Moraga, M. Godoy, Godoy, A. Pacheco y D. Navarrete Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de La Serena
Our group research activities at ULS Our Grou roup:
4 gradu graduat ated ed do doct ctors ors in Proce Process ss En Engi ginee neeri ring ng
2 do doct ctor orat ate e stud studen ents ts in Proce Process ss En Engi gine neer erin ing g (the (thesi sis) s) student ent in Do Doct ctora orate te in Food Food En Eng. g.& & Biop Bioproc rocess ess (thes (thesis is)) 1 stud students s in Magister Magister in Com Comput putati ationa onall Mechani Mechanics cs (thesi (thesis) s) 5 student student nts s in Civi Civill Mechani Mechanica call En Engi ginee neeri ring ng (thes (thesis is)) 12 stude Rese Re sear arch ch acti activi viti ties es 2013 2013: research rch project projects: s: Fondecy Fondecytt / CONICY CONICYT T 3 resea Magist ister er in Com Computa putatio tional nal Mechani Mechanics, cs, starti starting ng April April 2013 Mag Doct ctora orate te in Food Food En Engi gine neeri ering ng and Biop Bioproc rocess ess,, Ap Apri rill 20 2013 13 Do • Produ Producti ctivi vity ty 2012: 2012:
2 docto doctora rate te + 6 Civil Civil Mecha Mechani nica call En Engi ginee neeri ring ng gradu graduat ated ed
9 ISI ISI pa pape pers rs + 6 Lat Latiin In Inde dex x pa pape pers rs
20 resear research ch pap papers ers in con congre gresse sses s
Prob Pr oble lem m De Desc scri ript ptio ion n On enhancing knowlege of solid liquid phase change prob roblems: 1) Ch Char arac acte teri riza zati tion on of Flui Fluid d Me Mech chan anic ics s an and d He Heat at Trans ransfe ferr 2) Math Mathem emat atic ical al Mo Mode dellling ling? ? Al Alte tern rnat ativ ives es an and d a no nove velt lty y 3) Computational Simulation? ANSY SYS S / Flue Fluent nt or ow own n prog progra rams ms? ? AN Fortran 77 or or Fortran Fortran 95? Fortran Windows ws or or Linux Linux? ? Windo
Applications:
Foundry Foundry,, Poly Polymer mer mou mouldi lding, ng, Food freezin freezing, g, S Sola olarr energy energy storage storage
Methodology Case 1: Solidification of a Newtonian Binary Alloy (Al-1.7%Si) Case 2: Melting of a Pure Metal (Ga) Case 3: Solidification of a Non-Newtonian Binary Alloy (Al-1.7%Si) Case 4: Solar energy storage by phase change for housing
Mathematical Modelling: Liquid
phase fraction or Carman-Kozeny?
Classical approach or Porous Model?
Computational Simulations: ANSYS / Fluent or Own programs? Classical coupling algorithms or Own algorithms (PSIMPLER)? Own programs: Fortran 77 or Fortran 95?
Own Programs: using Windows or Linux?
Goals: •
Comprender, predecir y describir la mecánica de fluidos y la transferencia de calor en procesos de solidificación Contribuir a proponer mejoras en el cálculo de la evolución en el tiempo de las distribuciones de velocidad, presión, temperatura y en la determinación de la posición instantánea del frente de solidificación Generar nuevos conocimientos en modelación matemática y simulación computacional con el Método de Volúmenes Finitos Predecir en forma eficiente y precisa: congelación de alimentos inyección y moldeo de polímeros
solidificación de metales y aleaciones almacenamiento de energía solar por cambio de fase en paredes de viviendas
OBJE�I�O GENE�AL P������� MF � �C �� ��������� ��� ������ �� ���� �������� ������, ���� ������������ �� �������������� �� ������� �������, � ���� �������� �� ��������������������� �� ������� � ����������.
OBJE�I�O� E�PEC�FICO�: • M������ �������� ��� M�F • C�������� M������ M���������� ���� ������ �� ���� • ������� � ��������� ��� F�������� F������ • C������� ������������ �� ���������� ���������������
��PO�ICIONE�
C������� ��� �������� ������ � ��������� �� ���������� �� PC ��� ���������� I����� C���� �7�2600 CP� 3.40 GH�, 8.00 GB �� ������� �AM, �������� ������� �� 64 ����
P�������� �������
�����
D������� C������������ ������� C���� E��������� E������� �� ������ �� ���� ����������� �� ������ ����������� �� ������� ���������� �������� C���������� �� ���������� �������
M���� 60�60 ����� F������� �� �������������: �,�= 0.1 ; P= 0.1 ; �=0.5 P��� �� ������ ���������: 0.05 ��������
R. Romero, Predicción de proceso térmico de solidificación en moldes con convección en la fase líquida. Tesis de Magister, USACH (1998)
E�. �� ������� �� �������� ����� E������� �����
C�������� �� ����� �������
E������� �� �� ������� �� �������� �� �� �����������
E������� ��������
F������� �������
L������
C���������� ML � ML �
K������C�����
F������� L������
E� �� ������� V. R. Voller, C Prakash, A fixed grid numerical modelling mothodology for convection-diffusion mushy región phase-change problems, Int. J. Heat Mass Transfer: 30, 1709-1719 ( 1987)
20 ��������
�IMPLE�F (�C) � A M � E � O � I
E E D � N � E A I E � N � � L O C
AN���FL�EN� (K)
80 ��������
�IMPLE�F (�C)
AN���FL�EN� (K)
Propiedad Térmica
Valor
Densidad, ρ
6093 kg/m3
Calor Específico, Cp
381.5 J/kg °C
Conductividad Térmica, k
32 W/m °C
Calor de Cambio de Fase, L
81060 J/kg
Temperatura de Fusión, TF
29.78 °C
Temperatura de la pared caliente, T h
38 °C
Viscosidad Dinámica, µ Coeficiente de expansión Volumétrica, β
1.81x10-3
kg/m s
1.2x10-4 1/°C
M���� 40�40 ����� F������� �� ��������������: �,�= 0.5 ; P= 0.6 ; �=0.8 P��� �� ������ ���������: 0.05 ��������
B. �����, ������������ ��� ������ �� ���� ������ �������� ���������� � �������� �� ����������� �� ������� �������� ����� �������� , ����������� ����������� �� C��������, ������, 2007.
Condiciones Iniciales
Condiciones de Borde
B. �����, ������������ ��� ������ �� ���� ������ �������� ���������� � �������� �� ����������� �� ������� �������� ����� ��������� ����������� ����������� �� C��������, ������, 2007
I�������� F � E ) L C � � � � P ( � M � � I � � � � � � � ) � � K ( � 9 5 � 1 5 5 � � N N E A � L F
� � � � � � � 9 1
F � E ) L C � P ( M I � ) K � ( � � � N N E A � L F
L����� �� C��������
•
����������� �� ������ �� ������� ����� 75% � �� 86%, ��� �������� ������ �������� �� ��� �� �������� �� ������� �� �������� ��������� A�����F����� 14.0. Caso AL-1.7%WTSI (SOLIDIFICACIÓN) MALLA 60X60 PASO DE TIEMPO 0.05 S GALIO (FUSIÓN) MALLA 40X40 PASO DE TIEMPO 0.05 S
SIMPLEVF
Ansys-Fluent 14.0
0.1 HORAS
0.8 HORAS
1.0 HORA
4.2 HORAS
• ��� ��������� � �������� �������� �������� �� ������ �� ���� , �������� ����������� ��� �����������, ��� ������ K������C����� (F�����), ��� �������� �� ������������ ������� �� �� ������ ��� ������ �� ���� ���� ���������� �� ��� ���������� (C � δ).
VENTAJAS SIMPLE 2D GRAN DE RAPIDÉZ DE CÁLCULO FÁCIL IMPLEMENTACIÓN Y MODIFICACIÓN DE LAS CONDICIONES DEL PROBLEMA NO REQUIERE LICENCIA PARA SU USO
ANSYS-FLUENT INTERFAZ AMIGABLE CONOCIMIENTO MÍNIMO DE PROGRAMACIÓN CONOCIMIENTO BÁSICO DE LOS FENÓMENOS FÍSICOS
I������������� �������������
2 C�����������: ������� � L���� 2 A��������� �� ��������: �IMPLE � P�IMPLE�
�������������� ���� �� N���������
�������������� ���� N���������
�� 104
105
M����
A��������
�
�
P
������
0.1
0.1
0.1
�� 104
92�92 ��������
0.3
0.7
0.3
������
0.1
0.1
0.1
105
120�120 ��������
0.4
0.8
0.3
M����
A��������
�
�
P
������
0.05
0.05
0.05
��������
0.4
0.8
0.3
������
0.03
0.03
0.03
��������
0.1
0.7
0.1
92�92
120�120
���
������ �� ��.
������� 77
������� 95
0 0 1
0 0 4
0 0 2 1
������
P�IMPLE�
������
P�IMPLE�
���
������ �� ��.
������� 77
������� 95
0 0 1
0 0 4
0 0 2 1
������
P�IMPLE�
������
P�IMPLE�
���
������� 77
������� 95
0 0 1
0 0 3
0 0 0 1
������
P�IMPLE�
�IMPLE
P�IMPLE�
���
������� 77
������� 95
0 0 1
0 0 3
0 0 0 1
������
P�IMPLE�
������
P�IMPLE�
D�������� �� ���������� F������ 77 ������ ������������� ���� N���������
A��������
�����������
������
222169
P�IMPLE� 75025 ������
������ ������������� ���� �� N���������
����������� 4655
335024
P�IMPLE� 161856
F������ 95
2196
12186
7977
187727
1062
69637
555
278769
4807
161432
F������ 77 A��������
�����������
������
421465
P�IMPLE� 75739 ������
2264
F������ 95 �����������
8772
938520
P�IMPLE� 341013
2329
34775
17752
338974
1925
65233
524
1472557
15072
292534
4117
���������� ����� C��� �7 3820 �� 3.60 ��� ��� 16 �� �� ������� �A�
P���������� A������� �������� A�����M� P��������
����������� �� ������ ����������� �� �������
F������� �� ������ �� ����
�����
������ ���
2.05
4.11
6.16
°C �� = 10E4 ������� 77 ������
F������ 77 P�IMPLE�
������� 95 ������
F������ 95 P�IMPLE�
������ ��� �� = 10E5 ������� 77 ������
������� 77
P�IMPLE�
������� 95 ������
F������ 95 P�IMPLE�
2.05
3.08
4.11
°C
������� �� CP�
L�������
F������ 77 ������� 7
��������
A��������
I����������
������ CP� �����
������
131370
26
52505
15
724968
305
332426
203
106193
6
33907
3
561993
86
275330
45
P�IMPLE�
������
P�IMPLE�
������
F������ 95 ������ 12.04.1
P�IMPLE�
������
P�IMPLE�
P��������� I���� C��� �7 3820 �� 3.60 GH� ��� 16 G� �� ������� �AM
Interpolación del término transiente
Segundo Orden
Interpolación de la presión
PRESTO!
Interpolación del resto de QUICK las ecuaciones Paso de tiempo
2 segundos
Modelo de turbulencia
k-ε estándar con tratamiento de pared mejorado
50�50�60 N���� AN����F�����
�. ����������, �. �������, �. �����, ����������� ���������� �� � ��������� ���� �� �C��B���� �����, ������� �� ����� ������ �����������: 128 (2006)
Propiedades Físicas Aire Densidad, ρ Calor Específico, Cp Conductividad Térmica, k
Valor 1.225 kg/m3 1006.43 J/kg K 0.0242 W/m K
Viscosidad Dinámica, µ 1.7894x10 -5 kg/m s Coeficiente de expansión Volumétrica,
3.3 x10-3 1/K
β
Ladrillo Densidad, ρ Calor Específico, Cp
1800 kg/m3 840 J/kg K
Conductividad Térmica, k
0.8 W/m K
Propiedades Físicas Valor Parafina Densidad, ρ 1300 kg/m3 Calor Específico, Cp 2500 J/kg K Conductividad Térmica, k 0.2 W/m K Calor de Cambio de Fase, 206000 J/kg L Temperatura Solidus, Ts 295 K Temperatura Liquidus, Tl 297 K Cloruro de Calcio Hexahidratado Densidad, ρ 1600 kg/m3 Calor Específico, Cp 1800 J/kg K Conductividad Térmica, k 0.7 W/m K Calor de Cambio de Fase, 170000 J/kg L Temperatura Solidus, Ts 298 K Temperatura Liquidus, Tl 302 K
E�������� �� �� ����������� �������� �� ��� ������� �� �� ���������� �������� �� ������
E�������� �� �� ����������� �������� ��� ���� �� �������� �� �� ���������� �������� �� ������
�. ����������, �. �������, �. �����, ����������� ���������� �� � ��������� ���� �� �C��B���� �����, ������� �� ����� ������ �����������: 128 (2 006)
C4 ��������� �������� ��� ���� �� �������� �� �� ���������� (�/�) ��� �������� 3D � 2D ��� ���������� ������� � ��������� ����� �����������
� � P O � I C I O N E �
O�������� ��� ���� �� ������:
����������� �������� ��������:
• L�� ��������� �� ������������ ���������� ��� ��� ����� �� 10�6, ���� ��� ���������� �� �����������, �������, ������� � �����������.
MALLA DE 360�150 NODO�
• E� ������ ��������� �� ��� �������� ����� �� ���������� I����� C���� �7� 3820 CP� 3.60 GH�, ��� 16.00 GB �� ������� �AM ���������, �� �������� ������� �� 64 ����.
PA�ED E��E
PA�ED OE��E