微下拉法YAG晶体生长数值模拟

对微下拉法生长YAG晶体进行包括感应加热在内的全局数值模拟,其耦合了感应加热、气体与熔体对流以及固液气三相的热输运,熔体对流同时考虑浮力与表面张力作用.为统一使用有限体积法离散控制方程,采用复函数法求解电磁场,与流函数法对比验证程序正确性.分析整个生长炉内的温度和流场(包括气体和熔体)分布,并针对固液交界面区域温度梯度较小的情况,改进后热器材料,为微下拉法晶体生长炉结构设计提供参考.     

微重力下悬浮区的热毛细对流及其控制

本文主要定量研究用沿熔体表面喷射惰性气体的方法来控制Marangoni对流,抑止振荡现象的机理与可行性.导出了支配悬浮区热毛细对流的基本方程与正确边界条件,给出了粘性与边界层情况的对应关系,并应用ADI方法对微重力下悬浮区热毛细对流进行了数值模拟,讨论了各种参数(如Ma,R_σ,Gr)对于流动的影响.     

非均匀磁场对空间浮区法晶体生长的影响

通过数值计算表明了在空间浮区法晶体生长中利用非均匀磁场抑制自由面附近流体运动,这种局部作用来均匀减弱整体流场的有效性,及通过设计一定的磁场位形以达到减弱熔体流动的同时,提高杂质浓度沿生长界面分布均匀性的可能性,并且初步讨论了非均匀磁场位形设计的基本原则.     

铌酸钡钠晶体缺陷的浸蚀法研究

本文用化学浸蚀法显示了Czochralski法生长的BNN晶体中的铁电畴、生长条纹和位错,建立了浸蚀图象与晶体缺陷之间的对应关系.原生晶体中的铁电畴结构由宽度约1微米的交锁带纹状反向铁电畴组成.生长条纹、位错及包裹物等缺陷诱发了特征形态的铁电畴,其中位错诱发的铁电畴较难通过单畴化完全去除.籽晶中位错的延伸、肩部表面沟漕的热应变、包裹物的挤压,以及在过饱和点缺陷作用下螺型位错变为蜷线位错的攀移增殖,是晶体中位错的主要来源.     

6″CZSi热系统的改造对原生缺陷密度的影响

在大直径CZSi单晶生长时,热场与氩气流场通过影响晶体与熔体的温度分布来影响硅单晶中缺陷的形成.通过变单晶炉的普通热系统为以矮加热器为主的复合式热系统,改普通氩气流场为可控氩气流场,得到了原生缺陷密度不同的硅单晶,并通过对氩气流场的模拟分析,较好地解释了实验结果.     

NaClO3晶体生长过程光学诊断与数值模拟

运用光学干涉诊断方法实时观测NaClO3晶体生长过程，得到晶体生长过程中溶液浓度，晶体尺寸等物理参量．将这些参量与数值模拟得到的结果进行比对，研究重力条件下NaClO3晶体溶液生长过程中速度场、浓度场的分布与演化，尝试提出符合实际情况的晶体生长理论模型,对比两种方法得到的浓度边界层厚度，数值模拟得到了与实验数据相一致的结论.     

眼内房水流动的数值研究

研究眼内房水流动有助于认识眼睛疾病（如青光眼）发生机理.该文利用计算流体力学计算了人眼睫状体分泌的房水由后房流经5μm和30μm虹膜-晶体间隙进入前房,再经小梁网排出这一过程,分析了平视、仰视、俯视不同体位以及不考虑浮力因素的眼内房水流场.结果表明不同情况的房水压力场类似,5μm虹膜-晶体间隙时后房眼压比前房约高30 Pa,而30μm时前后房压力基本相同,小梁网压力下降明显.前后房压差驱动房水从后房流经虹膜间隙到前房,而角膜与虹膜温差引起的自然对流为前房房水的主要流动.前房自然对流引起的压差变化在mPa量级,温度较高房水汇集区域压力稍高.平视时主要为前房虹膜侧房水上升、角膜侧下降的自然对流循环;仰视时瞳孔区房水沿前房中心轴上浮,然后沿角膜向周边下沉,从虹膜周边部回到瞳孔,形成轴对称的对流模式;对于俯视,流动模式与仰视正好相反,前房中心轴上房水从角膜运动到瞳孔处;不考虑浮力作用时,房水的平均速度比自然对流时小1~2个数量级.     

热毛细振荡对流的实验研究

本文用实验的方法研究了半浮区液桥中由定常流向振荡流转捩的过程。发展了两种不接触诊断方法,测量了液桥自由面发生振动时的临界Marangoni数的分布。对于上壁加热和下壁加热两种情况,分别得到了实验结果,这些结果与Rayleigh不稳定性的理论预计相符。本文还讨论了液桥胖瘦程度对产生振荡流的敏感关系,从而表明自由面附近压力分布的重要性。本文的实验是在小液桥中进行的,其Bond数远小于1,因此可模拟微重力环境中的实验情况。     

环形空腔内自然对流问题的广义解

本文研究的是在工程实际中所遇到的一种自然对流换热问题,其物理模型如下:设一竖直环形空腔(几何尺寸如图1所示),上下底面绝热,内壁温高于外壁温。当空腔内充满流体时,由于内外壁的温差便引起流体的自然对流。 考虑到对称性,选取圆柱坐标系,将z轴方向取得与重力方向一致,则在通常的Boussinesq逼近下无量纲的自然对流方程组为     

微重力条件下舱内通风换热的地面模拟技术

在微重力条件下,舱内的强迫通风换热占绝对优势,在地面由于重力的影响,会产生自然对流,从而形成混合对流换热.通过理论分析和数值模拟,发展了一种温度-材料-Nusselt数综合保持技术,即利用舱内的通风,通过减小尺寸降低Grashof数,提高速度保持Reynolds数,使Gr/Re²小于某一值,从而达到抑制自然对流、消除或减小重力影响的目的,从而能保持原型和模型的Nusselt数不变、流场和温度场的相似.利用数值计算的方法,对这一技术进行了验证.     

磁场对具有压力梯度的低频振荡自然对流的影响

研究了磁场对具有非定常压力梯度的振荡自然对流的影响．假设流体是在两平行板内流动．由于在航天材料中的重要性，重点研究在微重力作用下由于矿振荡器诱发的低频振荡自然对流．得到了在非定常磁场下的振荡流体的一般解．还给出了一些特殊的振荡流和对作用磁场的响应．发现振荡流的性质依赖于频率、驱动浮力的振幅、温度梯度、磁场、壁面的导电情况．当没有磁场时，浮力在驱动流体振荡中起主导作用，并且速度的大小还受温度梯度的影响．为了控制振荡流，可以应用外磁场．还发现：当壁面是导体时，速度的减小与作用磁场的平方成反比；当壁面是绝缘体时，速度的减小与作用磁场成反比．一些详细的计算结果反映了真实的状态．     

用激光全息干涉术研究α-碘酸锂晶体生长的浓度分层现象

本文采用新型光导热塑激光全息干涉记录系统,实时原位观察了α-碘酸锂晶体的生长过程.研究了重力场下结晶驱动对流对于溶液浓度分层的影响.发现溶液浓度分层与α-LiIO₃晶体的籽晶方位密切相关.当籽晶光轴方向c平行于重力g时,溶液浓度的分层速度3倍于c⊥g时生长过程的分层速度.对于47.6℃恒温生长的α-LiIO₃结晶系统,达到稳态浓度分布所需的时间r≈40h。τ对于籽晶方位不敏感.     

三维稳态对流扩散问题的无网格求解算法研究

无网格法是一种不需要生成网格就可模拟复杂形状流场计算的流体力学问题求解算法.为了提高基于Galerkin弱积分形式的无网格方法求解三维稳态对流扩散问题的计算效率,提出了在空间离散上采用基于凸多面体节点影响域的无网格形函数,并通过选取适当节点影响半径因子避免节点搜索问题,同时减少系统刚度矩阵带宽.计算中当节点影响因子为1.01时,无网格方法的形函数近似具有插值特性且本质边界条件的施加与有限元一样简单.三维立方体区域的稳态对流扩散数值算例表明:在保证计算精度的同时,采用凸多面体节点影响域的无网格方法比传统无网格方法最高可节省计算时间42%.因此从计算效率和精度考虑,在运用无网格方法求解三维问题时建议采用凸多面体节点影响域的无网格方法.     

小Grashof数自然对流的近似理论

为了了解空间材料加工与制备过程中的微重力下流体运动的行为,我们提出了小Grashof数自然对流的近似理论。将物理量展开成Gr的级数,可以把Boussinesq近似的流体运动方程化成弱耦合的线性非齐次方程组。在分析过程中,还引进了同固体力学中板的弯曲相比拟的概念。文中还给出了两个例子,详细研究了无限长圆柱或方柱中的二维定常流动(这种流动是由在边界上给定沿水平方向岣线性温度分布引起的)。我们计算了流函数φ,速度场u和温度场T,分析了Grashof数和Prandtl数对流动的影响,得到一些有意义的结果。     

GaAs/Si外延层X射线双晶衍射摇摆曲线的动力学模拟和位错密度的测量

利用X射线衍射动力学理论和位错的小角晶界模型,分析了GaAs/Si外延层中位错对X射线双晶衍射摇摆曲线的影响,认为GaAs/Si外延层并不是严格取向一致的完整单晶膜,而是存在着许多小角晶界的镶嵌晶体,并推导出了其中镶嵌块的晶向分布函数和晶格应变分布函数,模拟出了GaAs/Si外延层X射线双晶衍射摇摆曲线,由此曲线计算出了GaAs/Si外延层中的位错密度.同时还得到了Si衬底上GaAs外延层中镶嵌块的大小.为分析高失配外延材料的双晶衍射摇摆曲线提供了新的方法.     

Marangoni效应对等曲率弯曲界面凝固过程的影响

用渐近方法和相场数值模拟分别研究了球状晶体和柱状晶体凝固过程中,固液界面表面张力随温度的变化对界面运动的影响．结果表明Marangoni效应将增大临界晶核半径,减缓界面运动速度．在静止熔体中,枝晶尖端生长速度随Marangoni数线性下降．渐近展开和相场模拟得到的结果定性是一致的．     

我国东部若干二辉橄榄岩团块的流动构造及流动应力估计

对我国东部若干新生代玄武岩中二辉橄榄岩团块的流动构造研究表明,这类团块所经受的高温变形条件下的塑性流动,主要是通过位错攀移和滑动机制来完成的. 根据具有残碎斑晶结构的团块中橄榄石新变晶的粒度、亚晶粒的粒度、自由位错密度以及位错段的曲率估算了流动应力的大小.不同地点的样品流动应力值的差异表明,新生代时期我国华北、东北地区上地幔流动应力值高于华东地区;靠近郯庐断裂带的上地幔流动应力值高于远离断裂带的,这反映了新生代时期我国东部地区构造活动的强度和特征的差异性.     

饱和的多孔介质中含夹杂时的磁流体动力学自然对流

在一个多孔介质中含倾斜矩形夹杂物时,数值地研究磁流体动力学自然对流热交换问题,矩形夹杂的边界条件为两个绝热壁和两个等温壁,使用适当的变量集,将控制方程:连续性条件、推广的Darcy定理--Forchheimer律、能量方程变换为无量纲形式,然后使用有限差分格式求解,磁效应数、Darcy-Rayleigh数、矩形夹杂物的倾斜角以及纵横比作为控制参数,得到多孔介质中含矩形夹杂物时,磁效应数和倾斜角参数影响流体流动和热交换的规律.     

对流占优扩散方程的特征线楔形基无网格法

本文研究了一维对流占优扩散方程的初边值问题.利用特征线法与楔形基无网格法,获得了特征线楔形基无网格显格式与隐格式算法.数值实验表明算法具有精度高、计算简单等优点.     

对流扩散方程迎风有限元的自适应方法

本文对二维发展型对流扩散方程的迎风有限元格式给出了显式后验误差估计,证明了真实误差被后验误差估计器上下界定;并通过误差估计器建立了相应的自适应算法,数值例子表明了方法的有效性.