کنترل سطح مشترک جامد-مایع در فرآیندهای انجماد با استفاده از روشهای انتقال حرارت معکوس

در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند ریخته گری و جوشکاری ، پدیده انجماد رخ می دهد. خواص فیزیکی ماده منجمد شده در درشت مقیاس به ساختار ماده در ریز مقیاس وابسته است. ریز ساختارهای تشکیل شده در حین انجماد به عوامل متعددی از جمله نرخ سرد کردن ، گرادیان دمادر سطح مشترک جامد ـ مایع، تنش سطحی و سرعت سطح مشترک بستگی دارد. برای اطمینان از کیفیت و قابلیت اطمینان ماده منجمد شده و برای دست یابی به ماده ای با کیفیت مورد نظر نیازمند به کنترل فرآیندهای انجماد هستیم . یکی از مهمترین پارامترهایی که بر ریز ساختار ماده تشکیل شده تأثیر گذار است، سرعت سطح مشترک جامد ـ مایع در انجماد مواد خالص و ضخامت ناحیه دوفازی میانی در انجماد آلیاژهاست. لذا کنترل دو پارامتر مذکور برای حصول قطعه ای با کیفیت مورد نیاز در فرایندهای انجماد فلزات خالص و آلیاژها، هدف اصلی تحقیق حاضر خواهد بود . بنابراین محاسبه شرایط مرزی در سطوح قالب به گونه ای که منجر به دست یابی به سرعت مطلوب و همچنین ضخامت ناحیه میانی شود امری ضروری خواهد بود که این مسأله در دسته مسائل معکوس حرارتی طبقه بندی می شود. در اکثر پژوهشهای قبلی که در زمینه انتقال حرارت معکوس و کاربرد آن در مساله انجماد آلیاژها(جوشکاری و ریخته گری) انجام شده، اثر ناحیه میانی لحاظ نشده است. این ناحیه یک ناحیه دو فازی با خواص ترموفیزیکی متغیر بوده و وابسته به کسری از ماده است که به جامد تبدیل می شود. لذا در این رساله تلاش بر آن است که کنترل حرکت سطح مشترک جامد-مایع تحت حضور ناحیه میانی توسط روشهای انتقال حرارت معکوس صورت گیرد. در این تحقیق ابتدا تابع هدف بر مبنای اختلاف دمای بین دمای مطلوب و محاسبه شده در موقعیت مطلوب سطح مشترک تعریف شده و با استفاده از روش گرادیان مزدوج بهینه می شود. جهت جلوگیری از حل معکوس در سه ناحیه موجود، از فرمول بندی آنتالپی استفاده شده است. صحت روش و کد کامپیوتری نوشته شده ابتدا توسط اعمال شار حرارتی معلوم و ثبت دما در نقاط مشخصی از دامنه محاسباتی تایید و سپس کد تایید شده برای کنترل سرعت و شکل سطح مشترک در مختصات یک و دو بعدی استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشانگر این مطلب است که با اعمال شار کنترلی به صورت همزمان در دو مرز، به راحتی می توان ضخامت و حتی شکل ناحیه میانی را کنترل نمود. شار حرارتی بدست آمده برای کنترل ضخامتهای ثابت و متغیر ناحیه میانی نشان داد که در سمت جامد همیشه سرمایش و در سمت مایع بسته به ضخامت ناحیه نیاز به گرمایش نیز وجود دارد. از آنجا که کیفیت آلیاژ تشکیل شده در حین فرآیند انجماد به شدت به ضخامت ناحیه میانی وابسته است، نتیجه می شود که می توان با استفاده از روش پیشنهادی در این رساله به آلیاژهایی با کیفیت و خواص مکانیکی مطلوب برای کاربردهای مشخص دست پیدا کرد. بنا بر این رساله حاضر به عنوان یک کار تحقیقاتی دانشگاهی از اهمیت ویژه ای برخوردار است به نحوی که نتایج حاصل از آن می تواند در راستای رفع نیازهای صنایع مرتبط و بهبود کیفیت قطعات تولید شده مفید واقع شود.