An experimental study on solidification of binary mix-ture

이원용액의 응고현상에 관한 실험적 연구

An experiment was performed to study solidification of binary mixture with double-diffusive convection in the liquid. A rectangular enclosure was filled with ammonium chloridewater solution. The phase change and convection process were studied through shadowgraph. Becasuse of the double-diffusive convection, the temperature field and concentration filed were stratified very rapidly. Correlation between solidified mass fraction and the dimensionless numbers was found; solidified mass concentration can be expressed as a linear function of $(Ste{\cdot}Ra^{1/4})^{2-Ste}{\cdot}Fo^{1/2}$.

혼합물의 응고과정에서 온도구배와 농도구배에 의한 복합자연대류의 영향을 정성적으로 알아보기 위하여 이원용액의 응고과정을 실험적으로 연구하였다. 이원용액으로는 $NH_4Cl-H_2O$용액을 사용하였으며 shadowgraph system을 이용하였다. 사진에서 고상영역과 mushy zone의 구별이 불가능하여, 이 두 영역을 합하여 고상으로 취급하였다. 자연대류의 영향으로 상변화물질은 매우 빨리 성층화가 이루어지며, 벽면으로부터 형성되는 고상은 초기에는 높이의 20%되는 곳이 가장 빨리 응고가 진행되어 고상의 두께는 이 지점으로부터 상하로 선형적으로 감소하는 형태를 유지한다. 그러나 고상이 많이 형성된 부분의 열저항은 증가하게 되므로 시간이 지남에 따라 두께가 균일화되려는 경향을 보였다. 응고질량비를 $(Ste{\cdot}Ra^{1/4})^{2-Ste}{\cdot}Fo^{1/2}$의 선형함수로 표시할 수 있었으며, 이로부터 농도구배에 의한 자연대류의 영향은 온도구배에 의한 자연대류의 영향에 비하여 작음을 알 수 있었다.