Математическая модель течения припоя в вертикальной трубке при различных уровнях гравитации с учетом процессов смачивания и плавления

Аннотация

С использованием модели фазового поля, записанной для расчета течения многофазной среды, рассмотрено движение расплава припоя внутри керамической трубки, в которой имеется пустотелый цилиндрический вкладыш из алюминиевого сплава. Задача решалась в неизотермической постановке, что позволило изучить динамику двухфазного течения, кинетику движения контрольной контактной точки системы при смачивании вкладыша. Рассчитано полное время, необходимое припою на нагрев, плавление и дальнейшее движение по полости внутри вкладыша под действием сил смачивания. Теплота плавления припоя в системе учтена через введение эффективной теплоемкости как функции температуры. Вычислены значения безразмерных чисел Бонда, Релея, Грасгофа и Марангони, которые позволили оценить вклад различных физических явлений в поведение системы. Установлено незначительное влияние сил гравитации на форму верхней и нижней свободных поверхностей расплава при его движении вдоль оси симметрии системы вследствие небольшой массы припоя и малого диаметра трубки. Получены графики изменения положения центра масс припоя. При наличии силы гравитации модель прогнозирует вытекание припоя из алюминиевого вкладыша, в то время как в условиях микрогравитации этого не происходит. Проанализированы поля скоростей, которые развиваются в жидком припое при разных уровнях гравитации. В условиях микрогравитации максимальные скорости обусловлены движением расплава за счет сил смачивания, в то время как при земной гравитации присутствуют конвекционные потоки в пристеночной области, поэтому средние скорости на два порядка выше. Отмечено незначительное влияние термокапилярного эффекта на среднюю величину скорости гидродинамических потоков вследствие низких температурных градиентов.