Solidificación de Materiales, Modelización Numérica de la Interacción entre la Interfase y una Partícula Esférica: Caso de una Interfase Convexa

E. M. AGALIOTIS; M.R. ROSENBERGER; A.E. ARES; C.E. SCHVEZOV

Posadas-Misiones. Argentina.

Otro; QUINTA REUNIÓN DE LA ASOCIACIÓN ARGENTINA DE CRISTALOGRAFÍA ? I ESCUELA DE LA ASOCIACIÓN ARGENTINA DE CRISTALOGRAFÍA; 2009

Asociación Argentina de Cristalografía.

El movimiento de una interfase de solidificación hacia una partícula esférica inmersa en el material fundido genera interacciones entre la interfase y la partícula. En esta interacción intervienen dos fuerzas principales, la de arrastre de fluido y una posible fuerza de repulsión sobre la partícula. Se sabe que la interfase se deforma en las proximidades de la partícula dependiendo de la relación entre las propiedades térmicas del líquido fundido, el sólido y la partícula. En este trabajo se presenta el caso particular de una interfase de solidificación convexa y una partícula esférica, que se observa cuando la partícula es aislante respecto al líquido fundido. A los efectos de simplificar el análisis se desacoplaron los campos térmicos y de fluidos. La simetría del sistema permitió emplear un modelo de simetría axial. Primero se calculó el campo térmico de donde se obtuvo la forma de la interfase en función de la posición. Luego, se tomaron diferentes posiciones de la interfase respecto a la partícula, los cuales representaron diferentes dominios para el cálculo de flujo de fluidos entre interfase y partícula. Las simulaciones del campo térmico y de fluidos se realizaron empleando el método de elementos finitos. Debido a que el proceso está regido por dinámica entre fuerzas de arrastre y repulsión, el modelo incluye ambas fuerzas, que son calculadas independientemente y luego combinadas para obtener el valor de equilibrio. Con los resultados del modelo de flujo de fluidos se calculó la fuerza de arrastre sobre la partícula en función de la velocidad de avance de la interfase y la separación partícula-interfase. La fuerza de repulsión se calculó utilizando la ecuación de Lifshitz-Van der Waals integrando numéricamente a partir de la forma y separación de la interfase calculada del modelo térmico. Calculadas las fuerzas de arrastre y de repulsión, son comparadas para obtener la velocidad donde se produce el equilibrio de éstas fuerzas para cada interfase. Se obtiene entonces una relación entre la separación partícula-interfase y la velocidad de avance de la interfase. Los resultados calculados para una interfase convexa se comparan con los obtenidos anteriormente para interfases planas. De tal comparación se observa que una interfase convexa genera menores fuerzas de arrastre que una interfase plana. Esto hace que la velocidad de equilibrio sea mayor que la correspondiente a una interfase plana a igual radio de partícula, por lo tanto, la separación de equilibrio entre la partícula y la interfase para el estado de repulsión estacionario es mayor para una interfase convexa que para una interfase plana.