MODELING OF DIRECTIONAL SOLIDIFICATION/MELTING BY THE ENTHALPY-POROSITY METHOD

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The research is focused on the development of mathematical models and software based on them to simulate complex processes of structural-phase transformations for new-generation materials, such as materials with phase transitions (PCM), biomedical materials, materials for additive manufacturing, and materials for the space industry. The mathematical description of the enthalpy-porosity model is performed in this work. The equations of viscous fluid hydrodynamics are used to describe fluid motion in time and space. The analysis of necessary restrictions and assumptions in the model related to consideration of laminar flows and Newtonian fluid model is performed. The computational problem is formulated in terms of the finite volume method and the computational domain and hydrodynamic equations are discretized. The OpenFOAM software, an open integrated platform for numerical simulation of continuum mechanics problems, was used for the computations. The computational algorithm OpenFOAM was developed to analyze the physical state of the system taking into account the initial and boundary conditions in the case of conductive and convective heat transfer. The simulations of gallium melting are performed and the model is verified for the conductive and convective cases. It is shown that in the conductive case the material melting occurs uniformly along the heat sources, while different velocities of convection flows have a significant influence on the formation of the melting boundary. The mathematical models developed in the study, as well as the analytical dependences and the computer simulations are applied to describe real experimental data on crystal growth in supersaturated solutions and supercooled melts.

About the authors

E. V. Pavlyuk

Ural Federal University Named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Email: dmitri.alexandrov@urfu.ru
Russia, Yekaterinburg

D. V. Alexandrov

Ural Federal University Named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Author for correspondence.
Email: dmitri.alexandrov@urfu.ru
Russia, Yekaterinburg

N. V. Kropotin

Joint Stock Company Scientific and Production Association “MKM”

Email: dmitri.alexandrov@urfu.ru
Russia, Izhevsk

L. V. Toropova

Ural Federal University Named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Email: dmitri.alexandrov@urfu.ru
Russia, Yekaterinburg

I. O. Starodumov

Ural Federal University Named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Email: dmitri.alexandrov@urfu.ru
Russia, Yekaterinburg

References

  1. Oleinik O.A. Ob odnom metode resheniya obshchey zadachi Stefana [On one method for solving the general Stefan problem] // Doklady Akademii nauk. 1960. 135. № 5. Р. 1054–1057. [In Russian].
  2. Alexiades Y., Solomon A.D. Mathematical Modeling of Melting and Freezing Process. Washington: Hemisphere, 1993.
  3. Kurz W., Fisher D.J. Fundamentals of Solidification 3rd ed. Aedermannsdorf: Trans Tech Publ., 1989.
  4. Herlach D., Galenko P., Holland-Moritz D. Metastable Solids from Undercooled Melts. Amsterdam: Elsevier, 2007.
  5. Brent A.D., Voller V.R., Reid K.T. // J. Numer. Heat Transf. A. 1988. 13. № 3. P. 297–318. https://doi.org/10.1080/10407788808913615
  6. Voller V.R., Prakash C. // Int. J. Heat Mass Transf. 1987. 30. № 8. P. 1709–1719. https://doi.org/10.1016/0017-9310(87)90317-6
  7. Voller V.R., Cross M., Markatos N.C. // Int. J. Numer. Methods Eng. 1987. 24. № 1. P. 271–284. https://doi.org/10.1002/nme.1620240119
  8. Hannoun N., Alexiades V., Mai T.Z. // Numer. Heat Transf. B: Fundam. 2003. 44. № 3. P. 253–276. https://doi.org/10.1080/713836378
  9. Swaminathan C.R., Voller V.R. // Metall. Trans. B. 1992. 23. № 5. P. 651–664. https://doi.org/10.1007/BF02649725
  10. Hirsch C. Numerical computation of internal and external flows: The fundamentals of computational fluid dynamics. Elsevier, 2007.
  11. Zienkiewicz O.C., Cheung Y.K. Finite elements in the solution of field problems // The Engineer. 1965. 220. № 5722. P. 507–510.
  12. Jasak H. Error analysis and estimation for the finite volume method with applications to fluid flows. PhD thesis. London, 1996.
  13. Alexandrov D.V., Toropova L.V. // Sci. Rep. 2022. 12. № 1. 17857. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22786-w
  14. Alexandrov D.V., Galenko P.K., Toropova L.V. // Crystals. 2022. 12. № 12. 1686. https://doi.org/10.3390/cryst12121686
  15. Toropova L.V., Galenko P.K., Alexandrov D.V. // Crystals. 2022. 12. № 7. 965. https://doi.org/10.3390/cryst12070965

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (37KB)
3.

Download (190KB)
4.

Download (162KB)
5.

Download (183KB)
6.

Download (238KB)
7.

Download (181KB)
8.

Download (332KB)

Copyright (c) 2023 Е.В. Павлюк, Д.В. Александров, Н.В. Кропотин, Л.В. Торопова, И.О. Стародумов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».