Implementation of a perturbation model for a dilute binary liquid and comparison of model mass diffusion coefficients with microgravity experiment results for liquid Pb 1 wt % Au

摘要

The estimation of mass diffusion coefficients, through Earth-bound experiments, remains difficult, due to the frequent occurrence of dominating convective flows resulting from gravity-driven density gradients caused by temperature and concentration gradients. To partly remedy this, a series of capillary mass diffusion experiments has been performed in microgravity on a number of different space platforms, sometimes performed on a microgravity isolation mount, to further reduce the platform operational noise referred to as “g-jitter”. Theoretical comparisons are sought for the experimental observations. Two numerical models have been developed based on perturbation theory. We have used the Lado criteria for minimizing the difference in free energy between the multispecies liquid of interest and a reference hard-sphere liquid. The hard-sphere liquid is characterized by the rational function approximation of the partial radial distribution functions. The effective embedded atom like glue potential has been used to model the liquid of interest. This has necessitated introducing the mean coordination number as an additional parameter. Isothermal compressibility has been used to determine the mean coordination number. The initialization of the numerical solutions, and the extension of solutions over the experimental range of temperatures have been demonstrated for Pb 1 wt % Au. The model results have been used to estimate the mass diffusion coefficients by applying the Enskog equation to the reference hard-sphere liquid. For consideration of capillary experiments, a definition of total mass diffusion coefficient, D_tot, has been introduced to characterize reverse Kirkaldy simultaneous diffusion. The mixed diffusion coefficient estimate is in good agreement with the mixed diffusion coefficient estimated from the velocity correlation of molecular dynamic simulations. D_tot and D₁₁ are in good agreement with the experimental results indicating that reverse Kirkaldy simultaneous diffusion has had an influence on the experiment. Good agreement between the mixed mass diffusion coefficient and the result from molecular dynamic simulation indicates the perturbation models can predict the mixed coefficient. These models may assist in the analysis of data from both Earth-bound and microgravity, mass diffusion experiments when the required embedded atom type potentials are available.Il demeure difficile d'évaluer les coefficients de diffusion massique dans des expériences sur Terre, à cause des fréquents courants de convexion souvent dominants générés par des gradients de densités dus à la gravité et dont la source se trouve dans les gradients de température et de concentration. Pour remédier partiellement à ce problème, nous avons fait une série d'expériences de diffusion massique en capillaire en état de microgravité à bord de différentes plateformes spatiales, souvent sur un support d'isolation de microgravité afin de réduire encore plus le bruit opérationnel, appelé fluctuation g, sur les plateformes. Nous cherchons à comparer à des valeurs théoriques. Nous avons ici utilisé deux modèles numériques basés sur la théorie des perturbations. Nous avons utilisé le critère de Lado pour minimiser la différence d'énergie libre entre le liquide mixte d'intérêt et une sphère dure de liquide de référence. Le potentiel effectif de type adhésif pour l'atome incorporé sert à modéliser le liquide à l'étude. Nous avons dû introduire un nouveau paramètre de coordination moyenne. Nous utilisons la compressibilité isotherme pour fixer ce nombre de coordination. Nous avons débuté la simulation et avons étendu la solution à un domaine de température valable pour du Pb à 1 % de Au en poids. Les résultats du modèle ont été utilisés pour estimer les coefficients de diffusion en appliquant l'équation de Enskog à la sphère dure de liquide de référence. Pour étudier les expériences de diffusion capillaire, nous avons introduit un coefficient de diffusion massique totale, D_tot, afin de caractériser la diffusion simultanée inverse de Kirkaldy. Le coefficient de diffusion mixte estimé est en bon accord avec la valeur calculée par corrélation de vitesse en simulation dynamique moléculaire.