Published May 1, 2024 | Version v1
Publication Metadata-only

An alternative two-phase formulation and analytical solution for a Stefan problem in one-dimension accounting for volume change and sensible heat

Creators

  • 1. Ho Chi Minh City University of Technology and Education

Description

Stefan problems, or free boundary problems, in the phase change process occur in many engineering problems. This paper develops a compact formula for a two-phase melting process in a one-dimensional semi-infinite slab with a novel approach. Unlike the classic Stefan problem, the novel approach considers volume change (or density difference) and the net-sensible-heat of the two phases. Furthermore, an analytical solution is proposed. To illustrate, the melting process of ice-water in a pipe is investigated. The results have been validated through an exact solution and comparisons with other relevant models. A special case of a one-phase problem is also proposed. The proposed model can be used as an alternative tool for engineers in estimating the position of the melt-front, depending on the dominant effect on the phase change process.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تحدث مشاكل ستيفان، أو مشاكل الحدود الحرة، في عملية تغيير المرحلة في العديد من المشاكل الهندسية. تطور هذه الورقة صيغة مدمجة لعملية صهر على مرحلتين في لوح شبه لانهائي أحادي البعد مع نهج جديد. على عكس مشكلة ستيفان الكلاسيكية، يأخذ النهج الجديد في الاعتبار تغير الحجم (أو فرق الكثافة) والحرارة الصافية المحسوسة للمرحلتين. علاوة على ذلك، يُقترح حل تحليلي. لتوضيح ذلك، يتم فحص عملية ذوبان الماء المثلج في الأنبوب. تم التحقق من صحة النتائج من خلال حل دقيق ومقارنات مع النماذج الأخرى ذات الصلة. يُقترح أيضًا حالة خاصة لمشكلة من مرحلة واحدة. يمكن استخدام النموذج المقترح كأداة بديلة للمهندسين في تقدير موضع واجهة الذوبان، اعتمادًا على التأثير السائد على عملية تغيير الطور.

Translated Description (French)

Les problèmes Stefan, ou problèmes de limites libres, dans le processus de changement de phase se produisent dans de nombreux problèmes d'ingénierie. Cet article développe une formule compacte pour un processus de fusion en deux phases dans une dalle semi-infinie unidimensionnelle avec une nouvelle approche. Contrairement au problème classique de Stefan, la nouvelle approche prend en compte le changement de volume (ou la différence de densité) et la chaleur sensible nette des deux phases. En outre, une solution analytique est proposée. Pour illustrer, le processus de fusion de l'eau glacée dans un tuyau est étudié. Les résultats ont été validés par une solution exacte et des comparaisons avec d'autres modèles pertinents. Un cas particulier de problème monophasé est également proposé. Le modèle proposé peut être utilisé comme un outil alternatif pour les ingénieurs dans l'estimation de la position du front de fusion, en fonction de l'effet dominant sur le processus de changement de phase.

Translated Description (Spanish)

Los problemas de Stefan, o problemas de contorno libre, en el proceso de cambio de fase ocurren en muchos problemas de ingeniería. Este documento desarrolla una fórmula compacta para un proceso de fusión de dos fases en una losa semiinfinita unidimensional con un enfoque novedoso. A diferencia del clásico problema de Stefan, el enfoque novedoso considera el cambio de volumen (o diferencia de densidad) y el calor sensible neto de las dos fases. Además, se propone una solución analítica. Para ilustrar, se investiga el proceso de fusión del agua helada en una tubería. Los resultados han sido validados a través de una solución exacta y comparaciones con otros modelos relevantes. También se propone un caso especial de un problema de una fase. El modelo propuesto se puede utilizar como una herramienta alternativa para los ingenieros en la estimación de la posición del frente de fusión, dependiendo del efecto dominante en el proceso de cambio de fase.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
صيغة بديلة على مرحلتين وحل تحليلي لمشكلة ستيفان في حساب أحادي البعد لتغير الحجم والحرارة المعقولة
Translated title (French)
Une formulation alternative en deux phases et une solution analytique pour un problème Stefan en une dimension tenant compte du changement de volume et de la chaleur sensible
Translated title (Spanish)
Una formulación alternativa de dos fases y una solución analítica para un problema de Stefan en una dimensión que tiene en cuenta el cambio de volumen y el calor sensible

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4396773790
DOI
10.1016/j.ijft.2024.100692

Is supplement to
https://openalex.org/W3016158432 (Other)
https://openalex.org/W2944037621 (Other)
https://openalex.org/W2375700760 (Other)
https://openalex.org/W2189523157 (Other)
https://openalex.org/W2094793377 (Other)
https://openalex.org/W2058289741 (Other)
https://openalex.org/W2016232912 (Other)
https://openalex.org/W1989068031 (Other)
https://openalex.org/W1985897728 (Other)
https://openalex.org/W1516308869 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Vietnam

References

  • https://openalex.org/W100479780
  • https://openalex.org/W1535856505
  • https://openalex.org/W1754125370
  • https://openalex.org/W2004839620
  • https://openalex.org/W2030342673
  • https://openalex.org/W2037429837
  • https://openalex.org/W2040008834
  • https://openalex.org/W2054739617
  • https://openalex.org/W2061950846
  • https://openalex.org/W2508857484
  • https://openalex.org/W2521690697
  • https://openalex.org/W2561638449
  • https://openalex.org/W2605962846
  • https://openalex.org/W2803952427
  • https://openalex.org/W3088798804
  • https://openalex.org/W3094187130
  • https://openalex.org/W3133552829
  • https://openalex.org/W4292635743
  • https://openalex.org/W4310801915
  • https://openalex.org/W4366438815