Numerical investigations of melting of ice in a box

(2005) Numerical investigations of melting of ice in a box. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.


Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

في هذه الدراسة تم بحث ذوبان الثلج في صندوق رياضياً . استخدمت طريقة بحث حرارية تعتمد على الشبكة الثابتة في الحل الرياضي لمسائل تغير حالة المادة التي يتحكم فيها الحمل والاتصال الحراري الطبيعي. في هذا النوع من المسائل ، تحسب تأثيرات تغير الحالة (تطور الحرارة الكامنة) بواسطة تعريف مصدر وحدات مناسبة في المعادلات المتحكمة . هذا يجعل تتبع السطح البيني المتحرك غير ضروري . سمحت حرية تعريف مصدر الوحدات بتشكيل مسائل مختلفة لمسائل تغير الحالة . تم بحث الذوبان في كتلة صغيرة ثنائية الأبعاد باستخدام برنامج ديناميكي تجاري عددي للسوائل. تم انجاز اختبار شامل لتأسيس حل لا يعتمد على حجم ونوع الشبكة ولا يعتمد على سعة خطوة الوقت ولا يعتمد على الفرق بين درجات حرارة التجمد والذوبان . لقد دلت النتائج على أن مساهمة الحمل الحراري الطبيعي للذوبان في مجسم ثلج تم تسخينه من فوق هي أكثر من الاتصال الحراري . تجارب أخرى تم تنفيذها لبحث تأثيرات حجم ومكان مساحة المنطقة التي تم تسخينها والحرارة المبدأية وحرارة السطح المسخن على سرعة الذوبان . دلت النتائج على أن درجة الذوبان تتناسب تناسبا طرديا مع حجم السطح الساخن. علاوة على ذلك دلت النتائج على أن تغيير بسيط في حرارة الحدود قد يؤثر في عدم تماثل عملية الذوبان.

English Abstract

Melting of ice in a box is numerically investigated in this study. An enthalpy based fixed grid methodology is used for the numerical solution of this natural convection-conduction controlled phase-change problem. In this approach the effects of the phase change (the latent heat evolution) are accounted for by the definition of suitable source terms in the governing equations. This makes the tracking of the moving interface not necessary. The freedom of defining these source terms allows the modeling of a variety of phase-change problems. Melting in a small two-dimensional block was simulated using a commercial computational fluid dynamics package. The results were found to be dependent on the grid size, time step size and the difference between liquidus and solidus temperatures. For melting in a 2x2 cm block, mesh sizes varying between 40x40 and 120x120 were tested and a mesh size of 110x110 was chosen. Time step sizes varying between 30 to 1 s were tested and a time step size of 1 s was chosen. Differences between liquidus and solidus temperatures varying between 1 and 0.05 K were tested and a difference of 0.05 K was chosen. The simulation results were validated against published correlations and a good agreement was observed. Results showed that the contribution of natural convection to melting in a block of ice heated from the top is substantially more (about eight times) than that of conduction. Results also showed that the melting rate is a function of the size and location of the heated area. The melting rate is found to be directly proportional to the size of the heating area but not in a one to one correspondence. As the size is halved, a 25% decrease in the melting rate is observed. The boundary conditions dictate the shape of the melted area. Results showed clearly that melting tends to occur away from a sub-zero wall. Simulation of melting in a 20x20 cm was also investigated. Limited results were obtained. These results showed a reasonable qualitative agreement with experimental results. Simulation of melting in a small three dimensional model was also carried out. Due to the fine grid and the small time step needed, the computational cost of solving melting using the current method proved to be not very practical.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Chemical Engineering
Department: College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor: Zughbi, Habib D.
Committee Members: Kahraman, Ramazan and Al-Ali, Habib H.
Depositing User: Mr. Admin Admin
Date Deposited: 22 Jun 2008 14:06
Last Modified: 01 Nov 2019 14:01