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Simulation numérique en 3D de la convection naturelle dans les fluides à bas nombres de Prandtl

N. Ibrir and S. Rahal

LESEI, Département de Mécanique, Université Hadj Lakhdar Rue Chahid Med El Hadi Boukhlouf, Batna, Algérie

Abstract

In this work, natural convection in a rectangular enclosure, filled of a liquid metal (liquid with a low Prandtl number) and submitted to a horizontal gradient of temperature, has been simulated. This configuration corresponds to the crystal growth Bridgman system or Chochrawlski, the migration of the impurities by natural convection affects the quality of the crystal. Also oscillation of temperature due to instability of the buoyant flow of liquid metals induces nonuniform cooling at the solidification front. 2D and 3D numerical simulations have been carried out using finite element code. Our numerical modelling has been validated, by comparing our results with those of other authors. The influence of the Prandtl number, and Rayleigh number on the heat transfer rate (Nusselt number), the convective patterns and the convective flow regime (laminar, turbulent), has been carried out.

Résumé

Dans ce travail, on a réalisé la simulation numérique de la convection naturelle dans une enceinte rectangulaire remplie de métal liquide (fluide à bas nombre de Prandtl) et soumise à un gradient horizontal de température. L’intérêt de l’étude réside dans son implication dans la croissance des cristaux destinés à la fabrication des semi-conducteurs et le refroidissement des composants électroniques. En effet, l’apparition de la convection pendant la croissance cristalline peut conduire à des inhomogénéités qui conduisent à des striations et à des défauts qui affectent la qualité des cristaux obtenus par les techniques de Bridgman ou de Chochrawlski. Les oscillations de température, dues aux instabilités de l’écoulement convectif dans les métaux liquides, induisent également un refroidissement non uniforme au front de la solidification. La convection est alors étudiée dans le but de la réduire. Une modélisation du problème en 2D et 3D a été menée en utilisant un code qui se base sur la méthode des éléments finis. Un premier travail de validation a été mené en comparant notre travail avec ceux d’autres auteurs. Par la suite, l’étude a été menée en faisant varier les paramètres de contrôle de la configuration, à savoir, le nombre de Rayleigh, et la nature du fluide (nombre de Prandtl) sur les taux de transferts de chaleur (nombre de Nusselt), sur les structures convectives qui apparaissent et sur le régime convectif (laminaire, turbulent).

Keywords

Convection - Numerical simulation - Enclosure - Liquid metals.

Simulation numérique en 3D de la convection naturelle dans les fluides à bas nombres de Prandtl
Texte intégral

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