Analyse du transfert de chaleur solide-liquide dans le changement de phase

Le transfert thermique de changement de phase solide-liquide comprend deux processus: la solidification de la substance (le liquide devient solide) et la fusion (le solide devient liquide),la substance est chauffée au point de fusion et absorbe une grande quantité de chaleur pendant le processus de fusion, et la chaleur latente est libérée pendant le processus de solidification lorsqu'elle est refroidie au point de congélation.

La transition de phase solide-liquide et le transfert de chaleur sont des phénomènes courants dans la nature, tels que la formation de roches volcaniques, l'évolution de la glace et le dégel de la terre, etc.et sont également des processus importants dans le domaine de la technologie de l'ingénierie, tels que la réfrigération des denrées alimentaires, le traitement des polymères, la solidification et la cristallisation des pièces moulées, la préparation de matériaux en alliages amorphes, le raffinage des matériaux semi-conducteurs,stockage de chaleur ou de froid, etc.

Le transfert de chaleur par changement de phase solide-liquide présente les avantages d'une densité de flux thermique élevée, d'une efficacité thermique élevée et d'une basse pression, ce qui revêt une importance importante pour la recherche et l'application.

Les modèles mathématiques et les équations régissant le transfert thermique de phase de transition solide-liquide sont généralement basés sur le concept d'un milieu continu,en supposant l'isotropie et l'uniformité des phases solide-liquide- l'interface solide-liquide étant directement affectée par les propriétés physiques de la substance,le transfert thermique de changement de phase solide-liquide peut être divisé en deux catégories selon les différents matériaux: problèmes avec une température de transition de phase unique et une interface solide-liquide transparente (substance pure).

Le problème d'une température de transition de phase dans une certaine plage avec la zone de coexistence de deux phases (mélange).Le transfert thermique de la transition phase solide-liquide peut être divisé en deux catégories selon les différentes quantités de caractérisation: modèle de température (la température est la seule variable dépendante et l'équation d'énergie est établie dans les régions de phase solide et de phase liquide respectivement)

Modèle d'enthalpie (la température et l'enthalpie sont des variables dépendantes, et l'enthalpie est utilisée pour distinguer les phases solide et liquide, sans partition).Les caractéristiques et les difficultés du transfert thermique de phase de transition solide-liquide résident dans l'interface solide-liquide en mouvement, et sont également affectés par des facteurs tels que le débit relatif du liquide, le changement de volume de la transition phase solide-liquide et la résistance thermique limite.

Au début, le transfert thermique de phase de transition solide-liquide de solution utilisait principalement des méthodes analytiques, y compris l'analyse exacte et l'analyse approximative.Seuls quelques transitions de chaleur de phase solide-liquide idéalisées avec des conditions de limite simples peuvent être résolues avec précision pour quelques semi-infinites unidimensionnelles, des régions infiniment grandes, principalement basées sur le problème de Neumann et le problème de Neumann généralisé.

L'analyse d'approximation comprend principalement la méthode d'intégration, la méthode de quasi-état stable, la méthode de perturbation, la méthode de résistance thermique, la méthode d'approximation successive, etc.qui résout principalement le problème de transition de phase monotone d'interface unidimensionnelle et les très rares problèmes bidimensionnelsLes méthodes numériques sont les principales solutions au problème de transfert de chaleur de phase solide-liquide multidimensionnelle dans des conditions complexes.

Il existe deux modèles principaux de méthodes numériques pour traiter les transitions de phase solide-liquide:le modèle biphasé séparé (méthode de suivi des interfaces) et le modèle mixte biphasé (méthode de grille fixe)Le modèle à deux phases séparées traite les deux phases comme deux régions, ce qui peut refléter le processus de transition de phase plus en détail, mais le processus de calcul doit retracer l'interface,donc l'effort de calcul est grand.

Le modèle hybride à deux phases estime qu'il n'y a pas d'interface stricte dans le processus de transition de phase, et les deux phases coexistent,et le calcul est simple mais ne peut pas afficher avec précision les caractéristiques de l'interfaceEn outre, les méthodes de Monte Carlo et de la grille de Boltzmann sont utilisées pour calculer le processus de transfert de chaleur de la transition de phase solide-liquide.

En raison des lacunes de la faible conductivité thermique des matériaux de changement de phase, en particulier des matériaux organiques de changement de phase,le transfert de chaleur accru du changement de phase solide-liquide est également un problème important qui doit être résolu.

Et il existe deux principaux types de méthodes de renforcement: l'ajout de particules solides métalliques ou non métalliques à haute conductivité thermique pour améliorer la conductivité thermique des matériaux de changement de phase;Structures renforcées telles que la mousse métallique, des ailerons métalliques et du graphite dilaté sont utilisés pour renforcer le transfert de chaleur vers les matériaux de changement de phase.