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On the Use of Asymptotic Solutions to Plane Ice—Water Problems

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

G. S. H. Lock*
Affiliation:
Department of Mechanical Engineering, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada
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Abstract

The paper considers one-dimensional freezing and thawing of ice–water systems for the conditions first examined by Stefan. An order-of-magnitude analysis applied to the governing equations and boundary conditions quantifies the error resulting from the neglect of various factors. Principal among these are density difference, initial superheat and variable properties.

Asymptotic solutions for the temperature distribution and interface history are developed for a wide range of boundary conditions: prescribed temperature or heat flux, prescribed convection and prescribed radiation. Comparison with known results reveals the general adequacy of the asymptotic solutions and an estimate of the error incurred.

Résumé

Résumé

Le présent rapport considère des systèmes à une dimension de glace–eau soumis au gel et à la fonte aux conditions examinées pour la première fois par Stefan. Une analyse d’ordre de grandeur appliquée aux équations gouvernant les systèmes et aux conditions limites permet de chiffrer l’erreur résultant de différents facteurs négligés. Parmi eux sont principalement la différence de densité, le surchauffement initial et des propriétés variables.

Des solutions asymptotiques pour la distribution de la température et l’histoire de l’interface sont développées pour un large intervalle de conditions limites; température imposée ou flux de chaleur, convection imposée et radiation imposée. La comparaison avec des résultats connus révèle que cette méthode est dans l’ensemble adéquate et que l’estimation de l’erreur est réelle.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Arbeit befasst sich mit eindimesionalem Gefrieren und Tauen von Eis-Wasser-Systemen unter Bedingungen, wie sie erstmals durch Stefan untersucht wurden. Eine Grössenordnungsanalyse der Bestimmungsgleichungen und der Randbedingungen ermöglicht die Abschätzung des Fehlers, der durch die Vernachlässigung verschiedener Faktoren entsteht. Die wichtigsten unter ihnen sind die Dichteunterschiede, die anfängliche Überhitzung und unterschiedliche Eigenschaften.

Asymptotische Lösungen für die Temperaturverteilung und die Entwicklung der Grenzflächen werden für einen grossen Bereich von Randbedingungen entwickelt: vorgegebener Temperatur- und Wärmefluss, vorgegebene Konvektion und Strahlung. Der Vergleich mit bekannten Ergebnissen zeigt die allgemeine Gleichwertigkeit der asymptotischen Lösungen, verbunden mit einer Abschätzung der auftretenden Fehler.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1969
Figure 0

Fig. 1.Transition in a one-dimensional domain.

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Fig. 2.Periodic freezing and thawing.

Figure 2

Fig. 3.Comparison of constant and spatially-dependent properties.

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Fig. 4.The effect of initial departure from the transition temperature.

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Fig. 5.Interface history for constant heat flux.

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Fig. 6.Interface history for constant convection.

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Fig. 7.Parametric history for constant convection.

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Fig. 8.Interface history for radiative cooling.

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Fig. 9.Parametric history for radiative cooling.