cambio de fase en ansys-fluent
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Simulación de cambio de fase utilizando Ansys-
Fluent
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA UNIVERSIDAD DE LA SERENA
TEMARIO
• Motivación• Objetivos• Definición del problema• Modelo matemático• Simulación de cambio de fase utilizando
Ansys Fluent
MOTIVACIÓN
OBJETIVOS
Objetivo General
Simular el proceso de solidificación y de fusión mediante el uso del software comercial Ansys-Fluent.
• Presentar los fundamentos físicos-matemáticos del proceso de cambio de fase líquido-sólido.
• Describir la mecánica de fluidos y transferencia de calor en procesos de cambio de fase líquido-sólido.
CAMBIO DE FASE: Zona Pastosa
Sólido
Zona Pastosa
Líquido
↓𝐠
TcalienteTfrío
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
R. Romero. Predicción de proceso térmico de solidificación en moldes con convección en la fase líquida. USACH 1998.
Condiciones inicial0.05 m , 0.05 m
Condiciones de Borde
𝐮=𝐯=𝟎𝐦𝐬 ,𝐓=𝟎 °𝐂
m m
para x=0 , 𝟎≤y ≤0.05 m 𝐓=𝟓𝟎𝟎°𝐂para x=0.05 , 𝟎≤y ≤0.05 m 𝐓=𝟕𝟎𝟎°𝐂
SOLIDIFICACIÓN DE ALEACIÓN DE ALUMINIOPropiedad Térmica Valor
Densidad r=2500
Conductividad Térmica k=100
Calor Específico
Entalpía de cambio de fase
Temperatura de sólido
Temperatura de líquido
Viscosidad dinámica m=0.0025
Coeficiente de dilatación térmica b=0.00004
SUPOSICIONES
El problema se aborda tomando en cuenta las siguientes suposiciones.
• Proceso transiente.
• Análisis 2D.
• Fluido Newtoniano.
• Flujo incompresible.
• Propiedades constantes, excepto la densidad.
• Aproximación de Boussinesq.
• La función de cambio de fase varía linealmente con la temperatura.
MODELO MATEMÁTICO
𝜕 ρh𝜕 t
+𝜕 ρ∆ H𝜕 t
+𝛻 ∙ (ρ V⃑ h )+𝛻 ∙ (ρV⃑ ∆ H )=𝛻 ∙ (k 𝛻T )+S
H=h+∆ H h=href +∫T ref
T
C pdT
∆ H=f pc L
𝜕 ρH𝜕 t
+𝛻 ∙ (ρ V⃑ H )=𝛻 ∙ (k 𝛻T )+S
f pc={ 0T −T sol
T liq−T sol
1𝑇 ≤T sol
𝜕 ρC pT
𝜕 t+𝜕 ρ f pc L
𝜕 t+𝛻 ∙ ( ρV⃑ C pT )+𝛻 ∙ ( ρ V⃑ f pc L )=𝛻 ∙ (k𝛻 T )+S
Ecuación de la energía en términos de la entalpía
Entalpía total Entalpía sensible
Contenido de calor latente
Fracción líquida
Ecuación de la energía en términos de la temperatura
Ecuaciones Gobernantes: Coordenadas cartesianas
𝜕 ρu𝜕 t
+u𝜕 ρu𝜕 x
+v𝜕 ρu𝜕 y
=−𝜕 p𝜕 x
+ 𝜕𝜕 x (μ 𝜕u𝜕 x )+ 𝜕
𝜕 y (μ 𝜕u𝜕 y )+Su
𝜕 ρv𝜕 t
+u 𝜕 ρv𝜕 x
+v𝜕 ρv𝜕 y
=−𝜕 p𝜕 y
+ 𝜕𝜕 x (μ 𝜕 v𝜕 x )+ 𝜕
𝜕 y (μ 𝜕v𝜕 y )+gβ (T −T ref )+Sv
A=C(1−f pc )
2
f pc3+δ
0< f pc<1
𝜕 ρC pT
𝜕 t+u
𝜕 ρC pT
𝜕 x+v
𝜕 ρCpT
𝜕 y= 𝜕𝜕 x (k 𝜕T𝜕 x )+ 𝜕
𝜕 y (k 𝜕T𝜕 y )− 𝜕 ρ f pc L
𝜕 t
𝜕 ρu𝜕 x
+𝜕 ρv𝜕 y
=0 Ecuación de la conservación de la masa
Ecuación de momento lineal en x
Ecuación de momento lineal en y
Ecuación de la enegía
V. R. Voller, C Prakash, A fixed grid numerical modelling mothodology for convection-diffusion mushy región phase-change problems, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 30, No. 8, pp. 1709-1719, 1987. Great Britain.
SIMULACIÓN PASO A PASO
VALIDACIÓN: Isotermas
Isotermas para los parámetros Número de Prandlt=0.025 y Número de Grashof=107, Tiempo: 10 segundos. a) R. Romero, b) Presente estudio. (Las isotermas están separadas cada 25 °C en el estudio de R. Romero y a 25 K en el presente estudio).
VALIDACIÓN: Líneas de corriente
Líneas de corriente para los parámetros Número de Prandlt=0.025 y Número de Grashof=107, Tiempo: 10 segundos. a) R. Romero, b) Presente estudio.
CONCLUSIONESSe ha presentado satisfactoriamente una simulación en Ansys-Fluent de solidificación de una aleación de aluminio.
La comparación de las isotermas y las líneas de corriente evidencian los efectos de la convección natural en el proceso de solidificación.
Los parámetros para el tratamiento de las velocidades en la zona pastosa y en la zona sólida, presentes en el modelo matemático, deben ser seleccionados en base a comparación con experimentos o comparaciones con publicaciones anteriores.