Estabilidade e solidificação de metais líquidos levitados

Orientador: Roberto Antonio ClementeTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: Este trabalho abordou três aspectos teóricos dentro do estudo dos metais líquidos levitados. No primeiro abordamos a origem das instabilidades ocorridas no aparato experimental TEMPUS, no qual ocorre a expulsão das amostras da sua posição de equilíbrio. Para isto, apresentamos cálculos de forças e torques que surgem em condutores elipsoidais submetidos a campos magnéticos oscilantes em condições de microgravidade. As forças são restauradoras e surgem devido ao afastamento axial e lateral do condutor (considerado rígido), a partir da sua posição de equilíbrio. Os torques que surgem devido às bobinas de aquecimento, mediante uma rotação rígida da gota em torno do eixo perpendicular ao das bobinas, apresentam-se como restauradores para uma elongação superior a um e desestabilizantes para uma elongação menor que um. Os causados pelas bobinas de posicionamento são desestabilizantes no intervalo de elongação entre um e dois, para as demais elongações, apresentam-se como restauradores. Para a situação de bobinas de aquecimento desligadas, a taxa de crescimento dos movimentos desestabilizantes de virada do condutor está compreendida entre as escalas associadas aos movimentos de pulsação da superfície da gota e seu decaimento. Portanto, há tempo suficiente para acessar, diversas vezes, a forma prolata com elongação entre um e dois, o que causa um efeito ponderomotivo desestabilizante. O segundo aspecto da tese mostra, a partir de hipóteses diferentes da de Avrami (tradicional), a existência de outras soluções para o problema geométrico do impingement (termo utilizado na literatura para dar a noção de colisão entre os grãos solidificados em crescimento), como também a relevância de se incluir ou não a contribuição dos chamados núcleos fantasmas. O terceiro aspecto refere-se a um modelo simplificado de solidificação que reproduz a curva de temperatura (incluindo a recalescência) e fração solidificada em função do tempo. Nosso modelo levou em conta os efeitos de impingement e as diferenças de calores específicos do sólido e do líquido. Aplicamos tal modelo a uma curva obtida experimentalmente para o Zr através do aparato experimental TEMPUS, durante a segunda Missão Internacional do Laboratório de Microgravidade na nave espacial Columbia, em 1994. Os resultados numéricos mostram que o acordo com as curvas experimentais dependem do modelo de impingement adotadoAbstract: This work focuses three theoretical aspects within the framework of levitated liquid metals. In the first one, we treated the origin of instabilities that occur in TEMPUS experimental aparatus, in which samples were pushed away from the center of the cage. To this end, we calculated forces and torques arising on ellipsoidal conductors positioned by oscillating magnetic fields, in ambient of microgravity. Forces, arising from axial and lateral rigid shifts of the metallic drop from their equilibrium position, are restoring. The torques due to heating coils, under rigid rotation of the sample are restoring when the drop elongation is larger than unity and they may cause instability when the drop elongation is lower than one. For elongation¿s between one and two unstable flipping is caused by the positioning coils. For other elongation¿s, the torques are restoring. When the heating coil is switched o ., the growth rate of flipping motion is comprised between the time scales of drop surface pulsation and its damping time. Hence, in such case, the prolate shape of the drop, with elongation between one and two, is accessed many times producing an overall unstable ponderomotive effect. The second aspect of the thesis shows, starting from hypotheses different from those adopted by Avrami (traditional treatment), the existence of other solutions for the geometrical problem of impingement (this term gives the notion of collision among solidified growing grains), as well as, the relevance to include or not the contribution of phantom nuclei. The last aspect is related with a simplified model of solidification that reproduces the temperature curve (with recalescence) and the solidified fraction as functions of time. Our model take into account impingement effects and possible differences between specific heats of solid and liquid phases. We applied such treatment to an experimental curve for Zr, which was obtained in TEMPUS apparatus, during the International Microgravity Laboratory Mission 2 (IML-2) on board of Space Shuttle Columbia, in 1994. The numerical results show that the agreement with the experimental curve depends of the adopted impingement modelDoutoradoFísicaDoutor em Ciência