浮力对环形液池内热毛细对流的影响

为了了解浮力的影响,对水平温度梯度作用时环形液池内的热毛细对流进行了非稳态三维数值模拟,环形液池外壁被加热,半径为40 mm,内壁被冷却,半径为20 mm,液池深度为(1-17)mm,流体为0．65cSt的硅油,其Pτ数为6．7．模拟结果表明,当水平温度梯度较小时,流动为轴对称稳态流动,随着温度梯度的增加,流动将会失去其稳定性,在浅液池内,转化为热流体波,浮力对失稳后的流型无影响,但会使热流体波的振幅下降;在深液池内,在常重力条件下,转化成三维稳定流动,在微重力和小重力条件下,转化为三维振荡流动．     

重力水平对热毛细-浮力对流耗散结构的影响

为了了解重力水平对环形液池内热毛细-浮力对流耗散结构的影响,利用有限容积法进行了非稳态三维数值模拟,环形液池外壁被加热,内壁被冷却,流体为0．65cSt硅油,其Pr数为6．7。结果表明,在微重力条件下,流动为三维振荡流动;当重力水平增加到0．1go时,流动结构转化为沿周向运动的一组滚胞,其轴线与温度梯度方向一致;当重力...     

环形浅液池内热毛细对流的热力学特性

为了了解径向温度梯度作用下环形浅液池内硅熔体热毛细对流的热力学特性,利用有限差分法进行了非稳态三维数值模拟。液池外半径r0=50 mm,内半径ri=15 mm,深度为d=3 mm。结果表明,当温度梯度较小时,流动为稳定轴对称流动,系统总熵产较小;随着温度梯度的增加,流动将失去其稳定性,首先转化为径向脉动波,此时系统总熵产呈周期性变化;温度梯度再增加时,流动转化为热流体波,系统总熵产较大,但不再随时间变化。     

Cz结构浅池内硅熔体热对流的分岔特性

为了了解水平温度梯度作用时Czochralski结构浅池内硅熔体热对流的分岔特性,利用有限差分法进行了非稳态三维数值模拟,坩埚外壁被加热,液池深度为3 mm.模拟结果表明,当逐渐增加温差时,会发生两次流型转变,第一次由二维轴对称流动转变为三维稳态流动,第二次由三维稳态流动转变为热流体波,其可能沿顺时针方向旋转、也可能沿逆时针方向旋转,同时,第二次转变存在分岔现象.     

表面散热对双组分溶液热-溶质毛细对流的影响

为了了解表面散热对耦合热-溶质毛细对流的影响,对环形浅液池内考虑Soret效应的双组分溶液耦合热-溶质毛细对流进行了三维数值模拟。环形液池深宽比和半径比分别为0.1和0.5,工质为质量分数等于26.27%的甲苯/正己烷混合溶液。结果表明,当流动为二维稳态时,在Soret效应作用下,溶质会向内侧壁转移,浓度梯度和温度梯度方向相反。随着Biot数增加,流动失稳的临界热毛细雷诺数和临界振荡频率均减小,但波数增加。流动失稳后,在自由表面会出现与温度波动类似的浓度波动;随着热毛细雷诺数增加,不论自由表面是否绝热,流动均会过渡到混沌状态。     

硅熔体CZ结构浅池内热毛细对流转变滞后特性

为了了解水平温度梯度作用时Czochralski(CZ)结构浅池内硅熔体热毛细对流的转变滞后特性,利用有限差分法进行了非稳态三维数值模拟,坩埚外壁被加热,半径为50mm,晶体半径为15mm,液池深度为3mm,坩埚外壁与晶体生长界面温差变化范围为6-27K。模拟结果表明,当逐渐增加温差时,在△T=9K处,二维轴对称流动转变为三维稳态流动,在△T=20.6K处,三维稳态流动转变为三维振荡流动;当逐渐减小温差时,在△T=19.5K处,三维振荡流动才转变为三维稳态流动,因此,二次流动转变存在滞后,滞后温差约为1.1K。     

环形池内双层流体热毛细对流不稳定现象实验研究

为了了解水平温度梯度作用下双层流体内热毛细对流的特征,实验观察了环形池内由1cSt硅油和氟化液FC-40组成的双层流体内热毛细对流失稳后的不稳定现象。实验表明,随着上层或下层流体厚度的增加,流动稳定性减弱。当上层厚度为1.5 mm时,内外环间温差超过临界温差后在外环区域产生三维稳态的直条纹、并在内环区域产生热流体波,波纹产生于上层流体。当上层流体厚度为2mm时,液层内三维稳态直条纹占主导。环形池旋转使稳态条纹变为弯曲波纹,并且液层内只有一组传播方向与环形池的旋转方向相反的热流体波。     

环形双层液体内热毛细对流过程的数值模拟

为了了解环形双层液体内热毛细对流的基本特征,利用有限容积法进行了数值模拟,液池外壁被加热,内壁被冷却,液封流体为氧化硼,熔体为砷化镓,其宽深比为4.模拟结果表明,液封能极大地抑制熔体内流动,使其速度降低约两个数量级;浮力会削弱液封层内的流动,强化熔体内流动.     

环形浅液池内热毛细对流的渐近解

为了了解微重力下水平温度梯度作用时环形浅液池内的热毛细对流特征,采用渐近线方法求得了环形浅液池内热毛细对流的近似解析解,得到了主流区速度场和温度场的表达式,并与数值模拟结果进行了比较,两者基本吻合.     

环形浅液池内浮力-热毛细对流的渐近解

为了了解水平温度梯度作用下环形浅液池内浮力-热毛细对流的基本特性,采用渐近线方法获得了环形浅液池内浮力-热毛细对流的近似解析解,得到了主流区速度场和温度场的表达式,通过与数值模拟结果的比较表明,所得结果是合理的。     

环形浅液层内热流体波的可视化实验研究

对外壁加热、内壁冷却、厚度为1.0 mm的环形硅油浅液层内的热毛细对流及其稳定性进行了可视化实验研究,观察到了旋转的螺纹状的热流体波,确定了发生热流体波的临界温差值△Tc=4.8 K,证实了热流体波从两组逐渐演变为一组的发展过程,验证了已有的数值模拟结果.     

大尺度环形液池内双层热毛细对流不稳定性

假设双层流体的交界面不发生变形,热毛细力作用于此交界面,三维数值研究了大尺度环形液池中双层流体系统在内外壁面温差加热下的热毛细对流不稳定性,其中外壁面维持高温,内壁面维持低温。计算结果显示,上下层流体的流动特性受Marangoni效应和浮力效应的影响;热毛细对流的振荡产生于内壁面附近,并沿着温度梯度的方向传播;随着温差的增大,热毛细对流的振荡逐渐增强,温度振荡波数增大。     

Thermocapillary deformation of a water layer at local heating

A horizontal water layer of 0.29-0.44 mm thickness, locally heated from the substrate, is investigated. The value of thermocapillary deformation occurring at local heating is measured by an inverted laser scanning confocal microscope Zeiss LSM 510 Meta. The heater in the form of strip of 0.5-mm width, 40-mm length, and 0.5-mm height made of indium oxide is sputtered on a sapphire substrate. The water temperature from the side of the substrate is measured using the infrared scanner Titanium 570M. We studied in detail the effect of the initial layer thickness and heating power on the value of thermocapillary deformation and temperature field. It is shown that deformation increases with an increase in thermal capacity and decrease in the layer thickness. Results of numerical simulation are in good qualitative agreement with the measurement results.     

数值分析环形池硅熔体旋转-热毛细对流及其稳定性

数值模拟了内半径20 mm、外半径40 mm、深5 mm环形池内硅熔体在旋转和热毛细力共同驱动下的热对流,通过线性稳定性分析确定了旋转-热毛细对流失稳的临界Marangoni数等临界条件。研究结果表明,液池低速旋转会降低轴对称热毛细对流的稳定性,而较高速度的旋转能增强热毛细对流的稳定性。临界条件下旋转-热毛细对流耗散结构波纹的传播方向与液池的旋转方向相同,临界周向波数随旋转速度的增加而增加。在较大的旋转速度下,液池底部出现涡胞,底部涡胞对热毛细对流的稳定性具有削弱作用。     

Thermocapillary waves in a liquid film

This paper investigates two-dimensional waves in a heated liquid film in the presence of the thermocapillary effect. The waves in the film are described using the integral model. The first part of the paper considers film instability for cases of fixed temperature of the plate and fixed heat flux in the plate. The liquid temperature disturbance is calculated from the energy equation for arbitrary values of Peclet number. In the second part, the evolution of waves in a heated film is modeled based on the system of equations for film thickness, flow rate, and the energy equation. In numerical modeling of the wave evolution, the boundary of the region of growing disturbances agrees well with results of stability analysis. The calculations show that for a vertical film the thermocapillary effect leads to broadening of the instability region only at low Peclet numbers.     

Stability of the heated liquid film in the presence of the thermocapillary effect

Stability of the flow of the heated liquid film is studied in the presence of the thermocapillary effect. To describe the waves in the film, the integral model is used. According to results of linear analysis of stability, the thermocapillary effect expands the area of instability only at low values of Peclet number Pe, and at high values of Pe, the instability area narrows. Wave evolution in the film on a substrate with the fixed temperature was simulated numerically. Results of numerical simulations agree with the linear theory of stability.     

微重力下液封对液桥内热毛细对流影响的研究

本文建立了具有液封的液桥（不相溶混的双层同轴液柱）内热毛细对流的物理模型和数学模型。采用涡量－流函数法对微重力条件下具有液封的液桥内热毛细对流进行了数值模拟，得到了双层液柱主流区的温度场和流场，证实了液封能够削弱液桥内热毛细对流，从而提高浮区晶体生长质量，并得到液封厚度对液桥内热毛细对流的影响规律。