Convección Natural de Fluido de Ley de Potencia en Solidificación entre Cilindros Horizontales Concéntricos con el Método de Volúmenes Finitos

Abstract

El trabajo caracteriza la convección natural durante la solidificación de una aleación binaria, Al-1.7wt% Si, en el espacio entre dos cilindros horizontales concéntricos a distintas temperaturas. El modelo matemático se construye en base a las ecuaciones de continuidad, momento lineal y energía, considerando la ley de potencia para describir el comportamiento no Newtoniano de la aleación en la fase fundida. La predicción numérica implícita se realiza empleando el método de volúmenes finitos, con el algoritmo SIMPLE, utilizando interpolación lineal para los términos difusivos e interpolación del tipo quinta potencia para los convectivos. Las propiedades físicas se consideran variables con la temperatura, utilizándose un modelo de fracción de cambio de fase lineal con la temperatura. La malla utilizada de 100x60, posee una concentración de nodos en la interfase molde-aleación y en las fronteras donde se aplica la condición de borde, a fin de captar los gradientes y mantenerlos constantes, minimizando el tiempo de cálculo. Se utiliza un paso de tiempo dinámico y factores de sub-relajación de valor α=0.1 para las velocidades, α=0.3 para la presión y α=0.5 para la temperatura. Los tiempos de cálculo varían desde 12000 segundos (n=1.5) hasta 1220000 segundos (n=0.2). Los resultados de líneas de corrientes e isotermas se validan, para el caso límite de fluido Newtoniano, con datos experimentales y numéricos disponibles en la literatura. En el caso de índice de potencia n=0.2, se alcanza la velocidad máxima antes que para los otros casos. El máximo valor de las velocidades, lo presenta el fluido pseudoplástico (n=0.2) y ocurre en los primeros instantes, luego el comportamiento se invierte siendo el índice de potencia n=1.5 el que genera velocidades levemente más altas durante la mayor parte del análisis. La temperatura para el instante final (t=450 segundos), respecto del índice de potencia n=1, es mayor para el caso n=1.5 (cercano al 1%) y menor para el caso n=0.2 (cercano al 2%). En los instantes iniciales se generan dos vórtices que giran en sentido contrario, produciéndose a medida que transcurre el tiempo una reubicación de los mismos y la generación de un tercer vórtice en la zona media.