К вопросу о механизме крупномасштабного переноса компонентов металлических расплавов в неоднородно нагретых тонких капиллярах

Vitaliy Demin,Maxim Petukhov

doi:10.17072/1994-3598-2016-3-65-71

Abstract

The results of numerical simulation for concentration-induced convection have been presented in this paper. Two-component melt of both liquid metals filling vertical thin capillary with non-uniform temperature distribution on the boundaries is considered. It is assumed that the condition of absolute nonwetting takes place on the sidewalls. Because of this effect there is a free surface on vertical boundaries, where thermocapillary force is appeared due to the external longitudinal temperature gradient which makes to move liquid elements at a big distance, compared with axial size of capillary. Processes of adsorption-desorption on a surface, thermocapillary force, motion in a volume and diffusion are characterized by essentially different times. These mechanisms generate a large-scale process of circulation as carrying-out of admixture on the surface in the hot higher part of capillary, its following transfer down along the boundary due to thermocapillary force and its return in the volume over the desorption in the lower part of capillary. The numerical calculations by the method of finite differences show that the lifting speed of returning motion in the volume is less, than on the surface, that’s why admixture in the stage of saturation can be accumulated nearby the lower part of capillary. After establishing the flow is stationary and determined as in the volume as on the surface by the Marangony number. Intensity of motion and processes of adsorption-desorption on the free boundary have the decisive influence upon the formation of surface and volume concentration fields and speed of redistribution of components in a mixture. Thus, one of the possible mechanisms of longitudinal division on components of liquid binary mixtures in thin channels has been demonstrated. This can explain the results of certain experiments with fusible metals on segregation of molten metal mixes.Received 17.10.2016; accepted 03.12.2016

Highlights

В работе представлены результаты численного моделирования концентрационной конвекции двухкомпонентного металлического расплава, заключенного в вертикальном неоднородном по температуре тонком капилляре
The results of numerical simulation for concentration-induced convection have been presented in this paper
It is assumed that the condition of absolute nonwetting takes place on the sidewalls. Because of this effect there is a free surface on vertical boundaries, where thermocapillary force is appeared due to the external longitudinal temperature gradient which makes to move liquid elements at a big distance, compared with axial size of capillary

Summary

Введение

Изучение процессов массопереноса в многокомпонентных средах, в ходе которых происходит перераспределение концентрации, имеет большое прикладное значение. Что наиболее эффективно процесс разделения смесей идет только на фоне медленного конвективного движения, интенсивность которого, тем не менее недостаточна для размывания термодиффузионных потоков. Явление было обнаружено в работе [5], которая была посвящена изучению перераспределения компонентов расплавленной смеси двух металлов в капилляре, помещенном в печь при температуре выше точки плавления. При изучении данной проблемы необходима другая физическая модель явления, которая бы позволила объяснить непрерывный характер и специфический вид зависимостей для продольных распределений концентрации компонентов сплава, а также удивительную быстроту процесса разделения. В настоящей работе предлагается другой подход для объяснения значительного продольного расслоения на компоненты бинарного металлического расплава при помощи включения в модель не только диффузионно-концентрационного, но и конвективного механизма переноса в объеме. Что вследствие процессов теплообмена верхняя часть капилляра всегда горячее нижней, т. е. имеется постоянный градиент температуры, направленный вверх, что, как будет показано ниже, может привести к генерации термокапиллярного течения за счет температурной неоднородности поверхностного натяжения

Постановка задачи

Результаты расчетов

Заключение