Étude fondamentale de la fusion par contact direct : effets de la convection

Abstract

Cette étude porte sur la fusion par contact direct dans les cas où un bloc de matériau à changement de phase (MCP) se trouve en contact avec une plaque plane chauffante fixe ou en mouvement. L'effet de la convection sur le processus de fusion ainsi que l'effet des forces d'inertie sont considérés. Une étude mathématique basée sur une analyse d'ordre de grandeur des équations de conservation est d'abord effectuée.Cette étude permet une planification des études analytiques et expérimentales plus exhaustives effectuées par la suite. Un montage expérimental est conçu et construit afin de mesurer les profils de fusion d'un matériau à changement de phase soumis à diverses conditions de températures et de vitesses de la plaque. Des modèles analytiques et numériques de la fusion par contact direct reposant sur les équations de conservation de masse, d'énergie et de quantité de mouvement sont développés et présentés. Ces modèles sont ensuite confrontés aux résultats expérimentaux en guise de validation. Les résultats démontrent que pour des substances à grands nombres de Prandtl ( Pr[indice inférieur : fonction] >> 1), la convection joue un rôle important en tout temps dans le processus de fusion par contact direct pour Ste [plus grand ou égal à] 0,1 en ralentissant la fusion jusqu'à 30%. Contrairement à la convection, l'inertie n'influence pas du tout la fusion. L'effet du mouvement de la plaque commence à se faire sentir pour Re > 10[indice supérieur 4] . Trois régimes de fusion sont identifiés: pour Re < 3 [multiplié par] 10[indice supérieur 5] , la fusion par contact direct domine et les temps de fusion diminuent alors d'un maximum de 66 % , pour Re > 5 [multiplié par] 10[indice supérieur 5] , la couche de liquide entre la plaque en mouvement et le MCP devient pratiquement inexistante ([delta]* < 8 [multiplié par]10[indices supérieurs -4] ) et la fusion est dominée par l'abrasion, les temps de fusion augmentent alors radicalement , pour 3 [multiplié par] 10[indice supérieur 5] < Re < 5 [multiplié par] 10[indice supérieur 5] , une [i.e. un] régime de transition fait le pont entre les régimes de fusion par contact direct et d'abrasion. La dissipation visqueuse peut être ignorée pour Re < 10[indice supérieur 4] et Ste [plus grand ou égal à] 0,001. Pour les substances à faibles nombres de Prandtl ( Pr[indice inférieur : fonction] < < 1), les forces d'inertie et la convection jouent toutes deux un rôle dans le processus de fusion. La dissipation visqueuse peut être ignorée pour Re < 10[indice supérieur 6 et Ste [plus grand que ou égal à] 0,001.