Ανάλυση της μεταφοράς θερμότητας στερεού υγρού κατά την αλλαγή φάσης

Η μεταφορά θερμότητας μετάλλαξης φάσης στερεού υγρού περιλαμβάνει δύο διεργασίες: τη στερεοποίηση της ουσίας (το υγρό γίνεται στερεό) και τη τήξη (το στερεό γίνεται υγρό),η ουσία θερμαίνεται μέχρι το σημείο τήξης και απορροφά μεγάλη ποσότητα θερμότητας κατά τη διαδικασία τήξης, και η λανθάνουσα θερμότητα απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας στερεώσεως όταν ψύχεται στο σημείο κατάψυξης.

Η μετάβαση φάσης στερεού υγρού και η μεταφορά θερμότητας είναι κοινά φαινόμενα στη φύση, όπως ο σχηματισμός ηφαιστειακών πετρωμάτων, η εξέλιξη του πάγου και η τήξη της γης κλπ.και είναι επίσης σημαντικές διαδικασίες στον τομέα της μηχανικής τεχνολογίας, όπως η ψύξη τροφίμων, η επεξεργασία πολυμερών, η στερεοποίηση και κρυστάλλωση χυμάτων, η παρασκευή αμορφών υλικών κράματος, ο διύλιση υλικών ημιαγωγών,αποθήκευση θερμικής ή ψυχρής ενέργειας, κλπ.

Η μεταφορά θερμότητας μεταβολής φάσης στερεού υγρού έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής πυκνότητας ροής θερμότητας, της υψηλής θερμικής απόδοσης και της χαμηλής πίεσης, η οποία έχει σημαντική ερευνητική σημασία και αξία εφαρμογής.

Τα μαθηματικά μοντέλα και οι εξισώσεις που διέπουν τη μεταφορά θερμότητας μετάβασης φάσης στερεό-ρευστό βασίζονται συνήθως στην έννοια ενός συνεχούς μέσου,Υποθέτοντας την ισοτροπία και την ομοιομορφία των στερεών-ρευστών φάσεωνΔεδομένου ότι η διασύνδεση στερεού υγρού επηρεάζεται άμεσα από τις φυσικές ιδιότητες της ουσίας,η μεταφορά θερμότητας από στερεό σε υγρό μεταβλητή φάσης μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες σύμφωνα με διαφορετικά υλικά: προβλήματα με θερμοκρασία μετάβασης μίας φάσης και σαφή διασύνδεση στερεού με υγρού (καθαρή ουσία).

Το πρόβλημα της θερμοκρασίας μετάβασης φάσης σε ένα ορισμένο εύρος με τη ζώνη συνύπαρξης δύο φάσεων (μείγμα).Η μεταφορά θερμότητας της μετάβασης φάσης στερεό-ρευστό μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες σύμφωνα με τις διαφορετικές ποσότητες χαρακτηρισμού: μοντέλο θερμοκρασίας (η θερμοκρασία είναι η μόνη εξαρτημένη μεταβλητή και η ενεργειακή εξίσωση καθορίζεται στις περιοχές στερεής φάσης και υγρής φάσης αντίστοιχα)

Μοντέλο ενθαλπίας (τη θερμοκρασία και η ενθαλπία είναι εξαρτώμενες μεταβλητές και η ενθαλπία χρησιμοποιείται για να διακρίνει μεταξύ στερεών και υγρών φάσεων, χωρίς διαχωρισμό).Τα χαρακτηριστικά και οι δυσκολίες της μεταφοράς θερμότητας μετάβασης φάσης στερεό-ρευστό βρίσκονται στην κινούμενη διεπαφή στερεό-ρευστό, και επηρεάζονται επίσης από παράγοντες όπως η σχετική ροή του υγρού, η αλλαγή όγκου της μετάβασης φάσης στερεού υγρού και η θερμική αντίσταση του ορίου.

Στο πρώιμο στάδιο, η μεταφορά θερμότητας μετά τη μετάβαση της φάσης στερεού υγρού διαλύματος χρησιμοποιούσε κυρίως αναλυτικές μεθόδους, συμπεριλαμβανομένης της ακριβούς ανάλυσης και της κατά προσέγγιση ανάλυσης.Μόνο λίγες ιδανικές μεταβάσεις θερμότητας στερεών-ρευστών φάσεων με απλές όρια μπορούν να λυθούν με ακρίβεια για μερικά μονοδιάστατα ημι-απεριόριστα, απεριόριστα μεγάλες περιοχές, βασισμένες κυρίως στο πρόβλημα Neumann και το γενικευμένο πρόβλημα Neumann.

Η ανάλυση προσέγγισης περιλαμβάνει κυρίως τη μέθοδο ολοκλήρωσης, τη μέθοδο οιονεί σταθερής κατάστασης, τη μέθοδο διαταραχής, τη μέθοδο θερμικής αντίστασης, τη μέθοδο διαδοχικής προσέγγισης κλπ.που λύνει κυρίως το μονοδιάστατο μονοτονικό πρόβλημα μετάβασης φάσης και τα πολύ λίγα διμερή προβλήματαΟι αριθμητικές μεθόδους αποτελούν τις κύριες λύσεις στο πρόβλημα της πολυδιάστατης μετάβασης θερμότητας από στερεό σε υγρό υπό πολύπλοκες συνθήκες.

Υπάρχουν δύο κύρια μοντέλα για αριθμητικές μεθόδους για την αντιμετώπιση των μεταβολών φάσης στερεού-ρευστού:το διαχωρισμένο μοντέλο δύο φάσεων (μέθοδος παρακολούθησης διεπαφής) και το μικτό μοντέλο δύο φάσεων (μέθοδος σταθερού πλέγματος)Το διαχωρισμένο μοντέλο δύο φάσεων αντιμετωπίζει τις δύο φάσεις ως δύο περιοχές, οι οποίες μπορούν να αντανακλούν τη διαδικασία μετάβασης φάσης με περισσότερη λεπτομέρεια, αλλά η διαδικασία υπολογισμού πρέπει να εντοπίσει τη διεπαφή,Έτσι η υπολογιστική προσπάθεια είναι μεγάλη.

Το υβριδικό μοντέλο δύο φάσεων πιστεύει ότι δεν υπάρχει αυστηρή διεπαφή στη διαδικασία μετάβασης φάσης, και οι δύο φάσεις συνυπάρχουν,και ο υπολογισμός είναι απλός αλλά δεν μπορεί να εμφανίσει με ακρίβεια τα χαρακτηριστικά της διεπαφήςΕπιπλέον, χρησιμοποιούνται οι μεθόδοι Monte Carlo και Boltzmann πλέγματος για τον υπολογισμό της διαδικασίας μεταφοράς θερμότητας της μετάβασης φάσης στερεό-ρευστό.

Λόγω των ελλείψεων της χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας των υλικών αλλαγής φάσης, ιδίως των οργανικών υλικών αλλαγής φάσης,Η βελτιωμένη μεταφορά θερμότητας της αλλαγής φάσης στερεό-ρευστό είναι επίσης ένα σημαντικό πρόβλημα που πρέπει να επιλυθεί.

Και υπάρχουν δύο κύριοι τύποι μεθόδων ενίσχυση: προσθήκη υψηλής θερμικής αγωγιμότητας μετάλλων ή μη μεταλλικών στερεών σωματιδίων για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας των υλικών αλλαγής φάσης.Ενισχυμένες δομές, όπως χάλυβα από αφρό, μεταλλικά πτερύγια και επεκταμένο γραφίτη χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας σε υλικά αλλαγής φάσης.