بهبود روش آنتالپي-تخلخل جهت مدل سازي انجماد آب و پيش بيني مرز متحرك جامد تحت تاثير انتقال حرارت جابه جايي طبيعي در يك حفره

Improvement of Enthalpy-Porosity Technique for Water Solidification Modeling and Implementation for Freezing in Natural Convection Cavity

تشكيل يخ روي سطحي جامد كه دماي آن پايين تر از دماي انجماد آب است و همچنين شكل مرز يخ اثرات مهمي در كاربردهاي مختلف داشته و تعيين موقعيت مرز يخ در طول زمان و تاثير جريان فاز مايع بر شكل مرز يخ از اهميت بالايي برخوردار مي باشد. حل تحليلي براي اين پديده پيچيده و گذرا غير ممكن مي باشد و همچنين ابزار آزمايشگاهي پرهزينه براي شناخت فرآيند تشكيل يخ لازم است. روش آنتالپي-تخلخل به طور معمول براي شبيه سازي عددي فرآيند انجماد مواد با خواص ترموفيزيكي مشابه در دو فاز مايع و جامد استفاده مي شود. در اين پژوهش، با توجه به تغييرات عمده خواص ترموفيزيكي آب در هنگام تشكيل يخ، روش مذكور با تعريف و اعمال توابعي برحسب خواص ترموفيزيكي و ايجاد تابعي پيوسته براي تبيين كسر حجمي مايع، توسعه و بهبود يافته است. نتايج حاصل از شبيه سازي با اين روش پيشنهادي، براي مسيله انجماد آب مايع داخل يك حفره با نتايج موجود تجربي و عددي قبلي مقايسه شده است. مشاهده نتايج در الگوي دقيق تشكيل دو گردابه و عمود ماندن مرز فاز جامد بر ديواره پاييني در فرآيند رشد يخ، موفقيت مدل مذكور را در مقايسه با تحقيقات مشابه تاييد مي كند. همچنين، مقايسه نتايج نشان دهنده پيش بيني بهتر شكل مرز جامد و بهبود متوسط مقادير حاصل به ميزان 4%، نسبت به شبيه سازي هاي عددي اخير، مي باشد.

Formation of ice on a cold surface and its shape play an important role in various applications. The position of solid surface of ice accretion, its growth shape, and the effect of liquid phase on it are important parameters in such problems. Difficulty of analytic techniques and expence of experimental methods encourage numerical modeling in investigation of such transient situations. The enthalpy-porosity technique has been used for material with similar properties in solid and liquid phases. In this work, this method is improved, introducing functional fluid properties for a substance with a variable property. This model is utilized to model water freezing in a cavity, while it is in the condition of natural convection. Formation of two vortices and the solid surface perpendicularity on lower wall (as observed in experimental tests) is verified. Moreover, the results show more accurate data in improved model in compar ison with experimental data. The average data in shape growth results is 4% improvement in compar ison with some utilized recent models.