Modelización de la interacción de partículas con interfaces de solidificación

AGALIOTIS ELIANA M.; ROSENBERGER MARIO R.; ARES ALICIA E.; SCHVEZOV CARLOS E.

Posadas, Misiones

Jornada; III Jornadas de Investigación Científico Tecnológicas 2005 de la UNaM.; 2005

Universidad Nacional de Misiones

En la solidificación de diversos materiales es común encontrar interacciones entre una partícula y una interfase sólido-líquida como por ejemplo en la solidificación en las aleaciones metálicas con partículas nativas, en los materiales compuestos con refuerzos cerámicos, en la cristalización de materiales electrónicos, ópticos, y biológicos. Las propiedades mecánicas y físico-químicas, se ven afectadas por la distribución de las partículas, la cual está íntimamente relacionada con la interacción entre las partículas y la interfase sólido-liquida. La interfase sólido-líquida que avanza puede repeler a las partículas en algunos sistemas. Lo que se intenta es identificar los casos donde la interfase móvil produce repulsión, lo que permitirá encarar eficientemente el diseño de los procesos mencionados En este trabajo se modela dinámicamente una interfase de solidificación que se mueve hacia una partícula esférica para estudiar el campo térmico que se genera y las deformaciones que sufre la interfase en relación con las diferentes propiedades térmicas de la partícula en una matriz sólido-líquida. Se utiliza un modelo de simetría axial ya que el sistema lo permite. El análisis se realiza empleando elementos finitos, con elementos de segundo orden. La densidad y la capacidad calorífica se consideran similares para la partícula y la matriz. No se consideran las fuerzas convectivas en la fase líquida. En los resultados se observa una deformación cóncava de la interfase, vista desde la partícula, cuando la partícula es mejor conductora de calor que la matriz. Por otro lado, la interfase es convexa frente a la partícula en el caso contrario. La interfase presenta una superficie plana cuando la conductividad térmica de la partícula y la matriz son iguales. Además, se estudiaron las fuerzas de arrastre que actúan sobre una partícula empleando un modelo con una interfase de solidificación plana y flujo de fluidos estacionario. Al comparar los valores de la Fuerza obtenidos en la simulación (FAFEM) con los obtenidos por la ecuación de Stokes-Modificada (FASM) se observa que la FAFEM es mayor que la FASM, siendo aproximadamente iguales a bajos valores de la distancia partícula-interfase. Se compararon gráficamente las Fuerzas de Arrastre con la Fuerza de Repulsión calculada con el modelo de Lifshitz Van der Waals (FRLVW). Se encontró que la separación de equilibrio para que se produzca el estado estacionario de empuje sobre la partícula es menor usando FAFEM que usando FASM, independientemente de la velocidad del frente de solidificación.Verdana;">Analizando la distancia correspondiente a la separación de equilibrio h en función de la velocidad de la interfase (vp) se obtiene la siguiente expresión que puede ser utilizada en el diseño de procesos con interfaces móviles.