基于Level Set方法的双层流体热毛细对流的数值研究

基于Level Set方法建立了双层流体热毛细对流的数学模型,通过变密度二阶投影法求解控制方程,C-N隐式技术用于扩散项更新,三阶龙格库塔技术用于对流项的更新,采用连续表面张力模型(CSF)模拟Marangoni效应。三维数值模拟了微重力环境下双层流体系统中交界面变形的热毛细对流,结果显示,在Marangoni效应的作用下,交界面在热端凸起,在冷端凹陷;随着Marangoni数增大,双层流体交界面的变形率随之增大,对流强度也随之增大;交界面与壁面的接触条件会影响热毛细对流的流场和温度场。     

深径比对双层热毛细-浮力对流的影响

三维数值研究了环形液池内双层流体热毛细-浮力对流的流动特性,考察了液池深径比对流动的影响,其中外壁面维持高温,内壁面维持低温。结果显示,上、下层流体热毛细-浮力对流的流动结构依赖于液池深径比的大小,其内在机制是由浮力和热毛细对流相对强度所决定;随着深径比的减小,热毛细-浮力对流不稳定性的周向温度波数先增大后减小,存在发生流动不稳定性的最佳深径比;热毛细对流的振荡周期随着深径比的减小逐渐减小,而周向速度平均扰动幅度逐渐增大.     

Soret效应对环形浅池内溶液热毛细对流的影响

采用三维数值模拟方法研究了Soret效应对深宽比为0.1的环形浅液池内双组分溶液热毛细对流的影响。结果表明,当热毛细Reynolds数较小时,溶液流动为二维轴对称稳态流动,相同热毛细Reynolds数下双组分溶液热毛细对流强于纯工质。由于双组分溶液中Soret效应的作用,冷壁面附近溶质浓度大于热壁面附近溶质浓度,且溶质毛细力方向与热毛细力方向一致,因此,溶液流动加强,相比纯工质更易失稳。流动失稳后,双组分溶液中呈现出热流体波与三维振荡流动并存的流动结构,且Soret效应对热流体波波数和主频有明显影响。     

旋转环形液池内双组分溶液热毛细对流研究

通过毛细对流可视化实验系统和三维数值模拟研究了旋转环形液池内受Soret效应影响的双组分溶液热毛细对流,探究了泰勒数和液池深宽比对双组分溶液热毛细对流的稳定性及失稳后产生的振荡流型的影响。结果表明,旋转液池内受Soret效应影响的热毛细对流的基础流为逆时针流胞形成的轴对称稳态流动,液池旋转对基础流径向流动的影响较小,但会明显增大流体的相对周向流动。临界热毛细雷诺数随泰勒数的增大而增大,随深宽比的增大而减小。泰勒数和深宽比的变化会明显改变双组分溶液热毛细对流失稳后产生的振荡流型。随着泰勒数的增大,液池中会出现HTWs和内部波动共存的振荡流型,内部振荡由包含在基态流动中的旋转流胞产生。     

微重力下温差对液桥自由界面变形的影响

浮区法是一种无坩埚容器接触、生长高质量单晶的重要晶体生长技术。微重力环境下,热毛细对流成为熔体中的主要对流,因此,研究浮区法晶体生长中热毛细对流的不稳定性具有重要意义。本文利用VOF自由表面追踪模型来捕捉自由界面的运动,数值研究了微重力下动态自由界面液桥内热毛细对流特性及温差(△T)对自由界面变形的影响。结果显示,在较强的温差作用下,整个熔区出现三维不稳性的热毛细对流振荡,并且随着温差的增加,振荡强度增强,振荡波数也随之增加;自由界面呈现出冷、热壁面膨胀而中间收缩的"瓶颈"状分布。自由界面变形率随温差先增长较快,后增长较慢。     

水平磁场对双层流体热毛细对流的影响

三维数值研究了零重力时水平温度梯度作用下,B2O3封闭液与InP熔液组成的双层流体系统在水平磁场作用下的热毛细对流.结果显示,当磁场强度较小时,上层流体中对流涡的结构变化其微,而下层流体中的逆对流涡得到了抑制;随着磁场的增强,温度场分布逐渐趋于均匀,涡量强度逐渐减小,表明热毛细对流强度逐步地得到削弱.当磁场增强列Bx=0.4 T时,上层流体中的对流涡较均匀地充满上层流体区,而下层流体中对流涡紧贴着交界面.     

磁场对水平温度梯度下双层流体热对流的影响

在水平温度梯度下,双层流体交界面的表面张力会出现梯度,驱动热毛细对流运动,造成热剪切层内的扰动.本文数值模拟了不同重力条件下,双层流体内的对流现象,得出了在微重力时,对流运动将引起热剪切层内强烈的扰动.为了减弱这种扰动,我们利用磁场对流体的运动进行控制.为此,又对微重力条件下,不同方向应用磁场下的热剪切层内扰动行为进行了数值研究,结果显示,磁场对热剪切层稳定性有促进作用,加入法向的应用磁场最为有效.     

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。     

水平温差对环形浅液池内Marangoni-热毛细对流的影响

双向温差驱动下的Marangoni-热毛细对流在许多工程技术领域具有重要作用, 但是, 已有的大部分研究集中于单向温差作用下的流动. 因此, 采用数值模拟的方法研究了水平温差对双向温差驱动下的环形浅液池内Marangoni-热毛细对流的影响. 在一个给定的顶部换热条件下, 确定了不同水平温差作用下流动由轴对称稳态流动向三维非稳态流动转变的临界底部热流密度. 结果表明, 水平温差使得Marangoni-热毛细对流不稳定; 随着水平温差的持续增强, 稳态流动转变为一种规律的振荡流动, 最终变得混乱; 发现两种新的状态演化过程; 确定了水平温差和垂直温差在共同驱动流体运动时各自发挥的作用; 随着水平温差的增强, 最初出现在中间区域的最高表面温度不断向热壁移动, 在此过程中, 内壁附近的流动增强, 而外壁附近的流动减弱.     

边界条件局部变化对二维发汗冷却的影响

本文通过对发汗冷却的多孔区域进行二维非热平衡数值模拟,研究了多孔介质区域进口处对流换热系数、冷却剂流量局部降低以及多孔介质受热表面热流密度局部增大对青铜、陶瓷两种不同多孔材料的温度场的影响。计算结果表明,冷却剂在进口处与多孔壁面对流换热系数的增大使多孔介质内部趋向于热平衡;热端壁面对流换热系数、冷却剂流量的局部变化对陶瓷多孔壁面在该局部区域的影响要大于青铜多孔壁面,但青铜多孔壁面受影响的区域更大,而冷却剂流量的局部降低对两种材料固体、流体间温差的影响程度基本一致。     

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。     

Experimental Investigation of Thermocapillary Convection in a Liquid Layer with Evaporating Interface

Thermocapillary convection coupling with the evaporation effect of evaporating liquids is studied experimentally. This study focused on an evaporation liquid layer in a rectangular cavity subjected to a horizontal temperature gradient when the top evaporating surface is open to air, while most previous works only studied pure thermocapillary convection without evaporation. Two liquids with different evaporating rates are used to study the coupling of evaporation and thermocapillary convection, and the interfacial temperature profiles for different temperature gradients are measured. The experimental results indicate evidently the influence of evaporation effect on the thermocapillary convection and interfacial temperature profiles. The steady multicellular flow and the oscillatory multicellular flow in the evaporation liquid layer are observed by using the particle-image-velocimetry method.     

Rheological flow from a die and painting on a moving solid wall

1IntroductionThemanufacturesoffluidfilmandpolymerrequireanunderstandingofthehydrodynamicprocess[1,2].Theenlargedcross-sectionofthefluidjetwasobservedinthepolymerprocessing,wherethedieswellisanimportantphenomenon.TheSwellorDieSwelleffectisexplainedusuallybyrheologicalpropertiesoftheliquidmedium.TannersuggestedatheoryofDie-Swell,andassumedthatthevelocityvectorhasonlyonecomponentalongthejet[3].Becauseofthenon-uniformityofthecross-section,theflowfieldintheDie-Swelltheoryshouldbeatleasttwo-dime…     

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．     

微重力下两同轴液柱内的热毛细对流的渐近解及数值模拟

1引言获得高质量、大体积单晶体对理论研究和实际工业应用都极其重要。由温度梯度引起的表面张力梯度所诱发的热毛细对流对晶体生长不利。zer等人山的空间实验证实，时相关的热毛细对流将引起熔质分凝，带来杂质条纹。人们急需有效抑制热毛细对流的方法。近年发展起来的液封技术在抑制热毛细对流方面表现出诱人的前景［‘－’］。本文着重研究两不相溶混的轴对称同轴液柱内的热毛细对流，通过分析求解及数值模拟，找出了外层流体对内层流体运动的抑制规律，为浮区晶体生长提供一定的理论和实践指导。2物理模型和数学模型如图1所示，距离为L…     

Combined action of different mechanisms of convective instability in multilayer systems

The nonlinear regimes of convection in a system of three immiscible viscous fluids are investigated by the finite-difference method. We study new phenomena caused by direct and indirect interaction of thermocapillary and buoyancy (Rayleigh and anticonvective) instability mechanisms. Two variants of heating-from below and from above-are considered. The interfaces are assumed to be flat. We focus on nonlinear evolution of steady and oscillatory motions and selection of stable convective structures depending on the parameters of systems. The influence of the lateral boundary conditions is also investigated. A classification of different variants of interaction between Rayleigh and thermocapillary instability mechanisms is presented, and several typical examples are studied. Specifically, we considered six different configurations where the Rayleigh convection arises mainly in a definite layer, and the thermocapillary convection appears mainly near the definite interface. Also, the case where both interfaces are active and alternatively play a dominant role is investigated. Some configurations of interaction between anticonvective and thermocapillary instability mechanisms are considered.     

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。     

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。     

环形浅液池内中等Pr数流体的热毛细对流

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性,利用有限差分法进行了非稳态二维数值模拟,环形液池外壁被加热,内壁被冷却,流体为 0.65 cSt的硅油,其Pr 数为 6.7。结果表明,当温度梯度较小时,流动为稳态流动,随着温度梯度的增加,流动将会失去其稳定性,转化成各种振荡流动,模拟结果与实验结果基本吻合。