Mathematical modelling of macrosegregation in binary alloys induced by convection

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Assunção Junior, Milton de Oliveira
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-27042021-124813/
Resumo: The occurrence of macrosegregation in ingot casting can actuate to depletion of the products final quality. Such defect can be described as a severe variation on macroscopic scale of chemical species that compose the alloy, whilst large ingots can also be severely affected by shrinkage cavity along the center line. The prediction of its occurrence via computational simulations has yet to be improved. This thesis provides: a 2D mathematical model for the formation of the shrinkage cavity using mass balance, and energy conservation with latent heat as source term, able to numerically verify the efficiency of apparatus currently used in the industry to reduce the cavity depth; a 2D macrosegregation model with a single-domain formulation including momentum, heat, mass and solute conservation, that reproduces results available in the literature; lastly, a novel 1D macrosegregation model undergoing shrinkage is presented, consisting of three distinct regions bounded by three moving interfaces, for which a similarity solution valid for small times was obtained and validated against numerical data, serving as initial condition to the non-similar problem used to draw some guidelines that can, in some circumstances, reduce the standard deviation on the initial solute concentration by up to 40%.
id USP_6e38a34ed5225304db9608ded58d89a8
oai_identifier_str oai:teses.usp.br:tde-27042021-124813
network_acronym_str USP
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository_id_str 2721
spelling Mathematical modelling of macrosegregation in binary alloys induced by convectionModelagem matemática de macrosegregação em ligas metálicas binárias induzida por convecçãoMacrosegregaçãoMacrosegregationSimilaridadeSimilarity solutionSolidificaçãoSolidificationThe occurrence of macrosegregation in ingot casting can actuate to depletion of the products final quality. Such defect can be described as a severe variation on macroscopic scale of chemical species that compose the alloy, whilst large ingots can also be severely affected by shrinkage cavity along the center line. The prediction of its occurrence via computational simulations has yet to be improved. This thesis provides: a 2D mathematical model for the formation of the shrinkage cavity using mass balance, and energy conservation with latent heat as source term, able to numerically verify the efficiency of apparatus currently used in the industry to reduce the cavity depth; a 2D macrosegregation model with a single-domain formulation including momentum, heat, mass and solute conservation, that reproduces results available in the literature; lastly, a novel 1D macrosegregation model undergoing shrinkage is presented, consisting of three distinct regions bounded by three moving interfaces, for which a similarity solution valid for small times was obtained and validated against numerical data, serving as initial condition to the non-similar problem used to draw some guidelines that can, in some circumstances, reduce the standard deviation on the initial solute concentration by up to 40%.A macrosegregação em lingotes de ligas metálicas pode influenciar de maneira significativa a qualidade da produção. Tal defeito se caracteriza pela severa variação química do material em escala macroscópica, enquanto lingotes de grandes dimensões podem ainda ser afetados por cavidade de encolhimento desenvolvida ao longo da porção central. Prever suas ocorrências por meio de simulações computacionais é uma tarefa que deve ser aperfeiçoada. Esta tese apresenta: um modelo matemático 2D para a formação da cavidade central utilizando balanço de massa e conservação de energia com calor latente no termo fonte, capaz de verificar numericamente a eficácia de aparatos atualmente usados pela indústria para reduzir a profundidade da cavidade; um modelo de macrosegegação 2D com formulação de domínio único incluindo momento, calor, massa e conservação de soluto, o qual reproduz dados presentes na literatura; e por último, um novo modelo de macrosegreação 1D sujeito à contração, consistindo em três regiões distintas limitadas por três interfaces móveis, para o qual uma solução por similaridade válida para tempos pequenos foi obtida e validada por dados numéricos disponíveis na literatura, servindo como condição inicial para o problema não-similar usado para traçar diretrizes que podem, em certas circunstâncias, reduzir o desvio padrão sobre a concentração inicial de soluto em até 40%.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPCuminato, José AlbertoVynnycky, MichaelAssunção Junior, Milton de Oliveira2021-02-22info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-27042021-124813/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2021-04-27T18:54:02Zoai:teses.usp.br:tde-27042021-124813Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212021-04-27T18:54:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
dc.title.none.fl_str_mv Mathematical modelling of macrosegregation in binary alloys induced by convection
Modelagem matemática de macrosegregação em ligas metálicas binárias induzida por convecção
title Mathematical modelling of macrosegregation in binary alloys induced by convection
spellingShingle Mathematical modelling of macrosegregation in binary alloys induced by convection
Assunção Junior, Milton de Oliveira
Macrosegregação
Macrosegregation
Similaridade
Similarity solution
Solidificação
Solidification
title_short Mathematical modelling of macrosegregation in binary alloys induced by convection
title_full Mathematical modelling of macrosegregation in binary alloys induced by convection
title_fullStr Mathematical modelling of macrosegregation in binary alloys induced by convection
title_full_unstemmed Mathematical modelling of macrosegregation in binary alloys induced by convection
title_sort Mathematical modelling of macrosegregation in binary alloys induced by convection
author Assunção Junior, Milton de Oliveira
author_facet Assunção Junior, Milton de Oliveira
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Cuminato, José Alberto
Vynnycky, Michael
dc.contributor.author.fl_str_mv Assunção Junior, Milton de Oliveira
dc.subject.por.fl_str_mv Macrosegregação
Macrosegregation
Similaridade
Similarity solution
Solidificação
Solidification
topic Macrosegregação
Macrosegregation
Similaridade
Similarity solution
Solidificação
Solidification
description The occurrence of macrosegregation in ingot casting can actuate to depletion of the products final quality. Such defect can be described as a severe variation on macroscopic scale of chemical species that compose the alloy, whilst large ingots can also be severely affected by shrinkage cavity along the center line. The prediction of its occurrence via computational simulations has yet to be improved. This thesis provides: a 2D mathematical model for the formation of the shrinkage cavity using mass balance, and energy conservation with latent heat as source term, able to numerically verify the efficiency of apparatus currently used in the industry to reduce the cavity depth; a 2D macrosegregation model with a single-domain formulation including momentum, heat, mass and solute conservation, that reproduces results available in the literature; lastly, a novel 1D macrosegregation model undergoing shrinkage is presented, consisting of three distinct regions bounded by three moving interfaces, for which a similarity solution valid for small times was obtained and validated against numerical data, serving as initial condition to the non-similar problem used to draw some guidelines that can, in some circumstances, reduce the standard deviation on the initial solute concentration by up to 40%.
publishDate 2021
dc.date.none.fl_str_mv 2021-02-22
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-27042021-124813/
url https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-27042021-124813/
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.relation.none.fl_str_mv
dc.rights.driver.fl_str_mv Liberar o conteúdo para acesso público.
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Liberar o conteúdo para acesso público.
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.coverage.none.fl_str_mv
dc.publisher.none.fl_str_mv Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
publisher.none.fl_str_mv Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
dc.source.none.fl_str_mv
reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
instname:Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
instname_str Universidade de São Paulo (USP)
instacron_str USP
institution USP
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)
repository.mail.fl_str_mv virginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.br
_version_ 1815257408496205824