Сепарация бинарных сплавов в тонких капиллярах
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.2.10Ключевые слова:
концентрационная конвекция, граница раздела бинароного расплава, разделение бинарных сплавов, адсорбционные и десорбционные процессыАннотация
Проведено прямое численное моделирование процесса разделения бинарного металлического расплава в тонком неоднородно нагретом капилляре круглого сечения. Ключевым моментом рассматриваемого процесса является предположение о том, что за счет несмачивания существует тонкий слой газовой фазы между расплавом и границей резервуара. Для описания данного эффекта использованы уравнения межфазной гидродинамики, что позволило построить для смесей жидких металлов феноменологическую модель процессов на поверхности раздела между расплавом и твердой границей. Задача решалась методом конечных разностей в сочетании с явной схемой на суперкомпьютере «ПГНИУ-Кеплер» Научно-образовательного центра «Параллельные и распределенные вычисления» Пермского государственного национального исследовательского университета. По результатам численного моделирования найдены поля скорости и температуры, а также концентрации компонентов расплава в объеме и на поверхности. Описана динамика процесса разделения. Показано, что продольный градиент температуры при условии несмачивания на боковой поверхности создает опускное движение расплава вдоль границы, которое совместно с эффектами адсорбции и десорбции влечет за собой образование объемной неоднородности концентрации компонентов смеси вдоль капилляра. Воспроизведена временная зависимость разности объемных концентраций компонентов на торцах капилляра, наблюдаемая в экспериментах. Проведен анализ распределения объемных концентраций компонентов и поверхностной фазы вдоль капилляра при различных значениях коэффициентов адсорбции и десорбции и числа Марангони. Изучена зависимость разности концентраций компонентов расплава на концах капилляра от его длины. Выявлено, что с увеличением длины капилляра эффект разделения усиливается. Качественное и количественное сравнение большинства характеристик продемонстрировало хорошую корреляцию результатов расчета с данными, полученными ранее для плоской задачи, и имеющимися на сегодняшний день экспериментальными данными. Вычислительный эксперимент показал, что движение в поверхностном слое происходит достаточно интенсивно. Тяжелый компонент сносится конвективным потоком в нижнюю часть капилляра так, что его концентрация примерно на 1/8 части поверхности капилляра возрастает почти на порядок.
Скачивания
Библиографические ссылки
Залкин В.М. О строении расплавов в бинарных металлических системах с эвтектическими диаграммами состояния // Ж.физ. химии. – 1972. – Т. 46, № 1. – С. 8-14.
Бунин К.П. К вопросу о строении металлических эвтектических расплавов // Изв. АН СССР. ОТН. – 1942. – № 2. – С. 305-310.
Гаврилин И.В. Распределение углерода в жидком чугуне // Литейное производство. – 1982. – № 4. – С. 2-4.
Корсунский В.И., Наберухин Ю.И. О влиянии центрифугирования на микрогетерогенное строение металлических расплавов эвтектического типа // Изв. АН СССР. Металлы. – 1973. – № 5. – С. 182-187.
Демин В.А. Оседание наночастиц в однородной несущей жидкости при наличии термодиффузии // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. – 2013. – Вып. 1 (23) . – С. 20-24.
Глухов А.Ф., Демин В.А., Третьяков А.В. О влиянии термодиффузии на перераспределение примеси при остывании столба бинарной жидкости // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2015. – Т. 326, № 11. – С. 118-127.
Гаврилин И.В., Фролова Т.Б., Захаров В.П. О ликвации в жидких эвтектических расплавах // Изв. АН СССР. Металлы. – 1984. – № 3. – С. 191-193.
Гаврилин И.В. Седиментационный эксперимент при изучении жидких сплавов // Изв. АН СССР. Металлы. – 1985. – №2. – С. 66-73.
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
Демин В.А., Петухов М.И. Крупномасштабный перенос компонентов металлических расплавов в тонких капиллярах // Вестник Томского университета. Сер. Математика и Механика. Томск: Изд-во Томск. ун-та. –2017. – № 48, – С. 57-69. DOI
Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. – М.: Наука. – 1972. – 392с.
Де Жен П.Ж. Смачивание: статика и динамика // Успехи физических наук. – 1987. – Т. 151, Вып. 4. – С. 619-681. DOI
Братухин Ю.К., Макаров С.О. Гидродинамическая устойчивость межфазных поверхностей. – Пермь: Изд-во Пермск. Ун-та, 2005. – 240 с.
Birikh R.V., Briskman V.A., Velarde M., Legros J.-C. Liquid Interfacial Systems: Oscillations and Instability. – CRC Press. – 2003. – 392 p.
Slavtchev S., Hennenberg M., Legros J.-C., Lebon G. Stationary solutal Marangoni instability in a two-layer system // J. Colloid Interface Sci. – 1998. – Vol. 203, no. 2. – P. 354–368. DOI
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
Тарунин Е.Л. Вычислительный эксперимент в задачах свободной конвекции: учеб. пособие. – Иркутск: изд-во Иркут.
ун-та. – 1990. – 228 с.
Тарунин Е.Л. Двухполевой метод решения задач гидродинамики: учебное пособие по спецкурсу. – Пермь: Изд-во Пермск. ун-та. – 1985. – 87 с.
Fisher H.J., Phillips A. Viscosity and density of liquid lead-tin and antimony-cadmium alloys // JOM. – 1954. – 200. – P. 1060-1070. DOI
Cusco L., Monaghan B.J. Development of a UK national standard for the thermal properties of molten materials: thermal diffusivity of molten copper // High Temp. – High Press. – 2002. – Vol. 34. – P. 281-289. DOI
Alchigarov B.B., Kurshev O.I., Taova T.M. Surface tension of tin and its alloys with lead // Russ. J. Phys. Chem. A. – 2007. – Vol.81, no. 8. – P 1281-1284. DOI
Углев Н.П., Дубровина Е.И. Радиальное распределение компонентов при расслоении металлических расплавов в капиллярах // Вестник ПНИПУ. Сер. Химическая технология и биотехнология. – 2015. – № 1. – С. 50-59.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2018 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
