Convección de Calor en Solidificación 3D con Método de Volúmenes Finitos y Algoritmo Secuencial Mejorado

Abstract

El conocimiento preciso de mecánica de fluidos y de transferencia de calor por convección es fundamental para comprender variados fenómenos naturales y mejorar numerosos procesos industriales que tienen transformaciones de fase líquida a sólida. La solución computacional que presenta este trabajo permite caracterizar la evolución de la velocidad, temperatura y del frente de solidificación. El modelo matemático se construye en base a las ecuaciones acopladas de continuidad, Navier-Stokes y energía, que describen la convección natural transiente y el cambio de fase líquida a sólida, resueltas con el método de volúmenes finitos. Un nuevo algoritmo secuencial, con dos ciclos de predicción-corrección, se describe y emplea para aumentar la rapidez de convergencia en el proceso de cálculo iterativo implícito. Resultados de la evolución en el tiempo de las distribuciones de velocidad y temperatura se presentan y discuten para tres casos: fusión anular cilíndrica de octadecano, convección natural transiente 3D y solidificación con convección natural de la aleación Al-1.7%Si. La influencia del valor del coeficiente de sub-relajación de las componentes de la velocidad en la precisión, robustez y eficiencia de la solución numérica con el método propuesto se compara con los resultados numéricos obtenidos con algoritmos clásicos del método de volúmenes finitos.