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.
###
Zalkin V.M. O stroenii rasplavov v binarnyh metallicheskih sistemah s evtekticheskimi diagrammami sostoyaniya [On the structure of melts in binary metallic systems with eutectic phase diagrams]. Phiz. Khimii – Journal of Physical Chemistry, 1972, vol. 46, no 1, pp. 8-14.
Bunin K.P. K voprosu o stroenii metallicheskih evtekticheskih rasplavov [On the structure of metallic eutectic melts]. AN SSSR, OTN, 1942, № 2, pp. 305-310.
Gavrilin I.V. Raspredelenie ugleroda v zhidkom chugune [Carbon distribution in liquid cast iron]. Liteynoe proizvodstvo – Foundry, 1982, no 4, pp. 2-4.
Korsunskiy V.I., Naberuhin Yu.I. O vliyanii centrifugirovaniya na mikrogeterogennoe stroenie metallicheskih rasplavov evtekticheskogo tipa [On the influence of centrifugation on the microheterogeneous structure of metallic melts of the eutectic type]. AN SSSR, Metally, 1973, no 5, pp. 182-187.
Demin V.A. Sedimentation of nanoparticles in a homogeneous carrying fluid in the presence of thermodiffusion. Bulletin of Perm State University. Physics, 2013, 1(23), pp. 20-24.
Glukhov A.F., Demin V.A., Tretyakov A.V. On thermodiffusion influence on the dopant distribution during the freezing of binary liquid column. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2015, vol. 326, no 11, pp. 118-127.
Gavrilin I.V., Frolova T.B, Zaharov V.P. O likvacii v zhidkih ehvtekticheskih rasplavah [On liquation in liquid eutectic melts]. AN SSSR. Metally, 1984, no 3, pp. 191-193.
Gavrilin I.V. Sedimentacionniy eksperiment pri izuchenii zhidkih splavov [Sedimentation experiment in the study of liquid alloys]. AN SSSR. Metally, 1985, no 2, pp. 66-73.
Demin V.A., Petukhov M.I. On mechanism of large-scale transfer of molten metal components in non-uniformly heated thin capillaries. Bulletin of Perm University. Physics, 2016, 3(34), pp. 65-71. DOI
Demin V.A., Petukhov M.I. Large-scale transfer of molten metal components in thin capillaries. Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics, 2017, no. 48, pp. 57−69. DOI
Gershuni G.Z., Zhukhovitskii E.M. Convective stability of incompressible fluids, Keter Publishing House, Jerusalem, 1976. 330 p.
De Gennes P.G. Wetting: statics and dynamics. Mod. Phys, 1985, vol. 57, pp. 827-863. DOI
Bratukhin Yu.K., Makarov S.O. Interfacial convection. Perm State University Press, Perm, 1994. 328 p.
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, pp. 354–368. DOI
Birikh R.V. Stability of homogeneous non-stationary surfactant diffusion through a flat interface between liquids. Bulletin of Perm University. Series: Physics, 2016, 1(32), pp. 64-70. DOI
Tarunin E.L. Vychislitel’niy ehksperiment v zadachah svobodnoj konvekcii: ucheb. posobie [Computational experiment in free convection problems: tutorial]. Irkutsk: Irkutsk University, 1990. 228 p.
Tarunin E.L. Dvuhpolevoj metod resheniya zadach gidrodinamiki: uchebnoe posobie po speckursu [Two-field method for solving hydrodynamic problems: a special course manual]. Perm: Perm. univ, 1985. 87 p.
Fisher H.J., Phillips A. Viscosity and density of liquid lead-tin and antimony-cadmium alloys. JOM, 1954, vol. 200, pp. 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, pp. 281-289. DOI
Alchigarov B.B., Kurshev O.I., Taova T.M. Surface tension of tin and its alloys with lead. Russ. Phys. Chem. A, 2007, vol. 81, no. 8, pp 1281-1284. DOI
Uglev N.P., Dubrovina E.I. Radial’noe raspredelenie komponentov pri rassloenii metallicheskih rasplavov v kapillyarah [Radial distribution of components in the separation of metallic melts in capillaries]. Vestnik PNIPU, Ser. Khimicheskaya tekhnologiya i biotekhnologiya, 2015, no 1, pp. 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.
