Konvekcia v dendritických zónach

Štúdia dynamiky prúdenia a fázovej premeny vo viaczložkových systémoch bola publikovaná v prestížnom časopise Physics Today autormi Daniel M. Anderson (Department of Mathematical Sciences, George Mason University, USA), Peter Guba (Katedra aplikovanej matematiky a štatistiky, FMFI UK) a Andrew J. Wells (Department of Physics, University of Oxford, UK).


23. 05. 2022 10.56 hod.
Od: Peter Guba

Formovanie morského ľadu v polárnych oceánoch a tvorba defektov v kovových zliatinách sa môžu zdať ako dva nezlučiteľné procesy, ale majú spoločnú jednu dôležitú črtu: výskyt takzvanej dendritickej zóny. Dendritické zóny sú hostiteľom komplexnej dynamiky prúdenia kvapalnej fázy, tepelného a chemického transportu, fázových transformácií, nelineárnej dynamiky a tvorby konvektívnych štruktúr. Dôsledky môžu byť značné: dynamika dendritických zón sa podieľa na degradácii priemyselne odlievaných lopatiek turbín pre letecký a energetický priemysel, ako aj zmene globálnej klímy. 

Dendritické zóny sú viacfázové pórovité zmesi pevných kryštálov a intersticiálnej kvapaliny, ktoré vznikajú tuhnutím viaczložkového roztoku. V štúdii "Mushy-layer convection" sme predstavili výsledky matematického modelovania fázovej premeny a prúdenia v dendritickej zóne binárnych a ternárnych systémov. Rovnice dendritickej zóny sú odvodené aplikáciou všeobecných princípov mechaniky kontinua na kontrolné objemy obsahujúce reprezentatívne vzorky oboch fáz. Model konzistentne popisuje väzbu medzi fázovou premenou a konvekciou: konvekcia kvapalnej fázy spôsobuje advektívny prenos tepla a prímesí, ktorý ovplyvňuje lokálnu rýchlosť tuhnutia a segregáciu hmoty v systéme. 

Konvekcia v dendritickej zóne môže by lokalizovaná a formovať úzke kanále, ktoré neobsahujú pevnú fázu a sú orientované paralelne so smerom tuhnutia. Tento proces sa podarilo priamo pozorovať v počítačovej simulácii rastu morského ľadu s použitím pokročilej entalpickej numerickej metódy. V materiálovom inžinierstve sú tieto kanále spájané so štrukturálnymi defektami výslednej zliatiny (ingotu). 

Práca bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja grantom APVV-18-0308. 

Daniel M. Anderson, Peter Guba, and Andrew J. Wells, Mushy-layer convection, Physics Today, vol. 75, issue 2, page 34 (2022). DOI: https://doi.org/10.1063/PT.3.4940