液桥内热质耦合对流不稳定性及旋转磁场法控制

浮区法因具有无坩埚接触污染的生长优点而成为生长高完整性和高均匀性单晶材料的重要技术.但熔体中存在的毛细对流会给浮区法晶体生长带来极大挑战,这是由于对流的不稳定会导致晶体微观瑕疵的产生和宏观条纹等缺陷的形成.为了提高浮区法生长单晶材料的品质,研究浮区法晶体生长中毛细对流特性及如何控制其不稳定性显得尤为重要.本文采用数值模拟的方法对半浮区液桥内SixGe1-x体系中存在的热质毛细对流展开研究并施加旋转磁场对其进行控制.结果表明:纯溶质毛细对流表现为二维轴对称模式,温度场主要由热扩散作用决定,而浓度场则由对流和溶质扩散共同支配;纯热毛细对流呈现三维稳态非轴对称流动,浓度分布与熔体内热毛细对流的流向密切相关,等温线在对流较大的区域发生弯曲;耦合溶质与热毛细对流则为三维周期性旋转振荡流.施加旋转磁场后,熔体周向速度沿径向向外增大,熔体内浓度场和流场均呈现二维轴对称分布.     

INSTABILITY OF COUPLED THERMO-SOLUTE CAPILLARY CONVECTION IN LIQUID BRIDGE AND CONTROL BY ROTATING MAGNETIC FIELD

浮区法因具有无坩埚接触污染的生长优点而成为生长高完整性和高均匀性单晶材料的重要技术.但熔体中存在的毛细对流会给浮区法晶体生长带来极大挑战,这是由于对流的不稳定会导致晶体微观瑕疵的产生和宏观条纹等缺陷的形成.为了提高浮区法生长单晶材料的品质,研究浮区法晶体生长中毛细对流特性及如何控制其不稳定性显得尤为重要.本文采用数值模拟的方法对半浮区液桥内Si_xGe_1-x体系中存在的热质毛细对流展开研究并施加旋转磁场对其进行控制.结果表明：纯溶质毛细对流表现为二维轴对称模式,温度场主要由热扩散作用决定,而浓度场则由对流和溶质扩散共同支配;纯热毛细对流呈现三维稳态非轴对称流动,浓度分布与熔体内热毛细对流的流向密切相关,等温线在对流较大的区域发生弯曲;耦合溶质与热毛细对流则为三维周期性旋转振荡流.施加旋转磁场后,熔体周向速度沿径向向外增大,熔体内浓度场和流场均呈现二维轴对称分布.     

磁场对双扩散液层热毛细对流的影响

通过数值模拟的方法对磁场作用下的双扩散液层热毛细对流进行了研究, 模型中同时考虑了热毛细效应和溶质毛细效应的存在. 研究结果显示, 外部磁场能够有效削弱液层内热毛细对流的强度, 改变热毛细对流的对流结构; 随着磁场强度的增大, 液层内热毛细对流的对流强度逐渐减小, 热质传递过程中扩散效应逐渐得到增强; 最终, 溶质浓度沿水平方向呈梯度分布. 因此, 当磁场强度足够大时能够实现晶体生长中所需的纯扩散条件.     

热毛细对流的液桥几何位形及浮力效应

本文讨论重力对不同高度、直径比液桥的热毛细对流的影响。当液桥高度、直径比增大时,液桥中的等流函数线呈双涡结构,这种流动图样并不必然与热毛细振荡流相联系。在地面热毛细对流实验中模拟空间微重力情况,液桥高度需小于1.5mm。在微重力环境中,液桥内的流场和温度分布介于地面相同参数液桥的上部加热和下部加热两种结果之间。因此,可以用地面实验结果估计空间液桥的对流和热输运情况。     

二元工质Marangoni对流的实验研究与数值模拟

用实验和数值模拟方法研究了正值表面张力温度系数的二元醇类特殊水溶液Marangoni对流流动. 首先通过实验测量确定正戊醇水溶液表面张力在特定的浓度分布和温度区间内具有明显随温度升高而增加的变化区域, 然后利用特定浓度配比的正戊醇水溶液,采用PIV方法实验观测了矩形液池中二元工质液层在水平温差驱动下的Marangoni对流, 发现了不同于常规的反向热毛细对流流动, 测量的表面速度分布与相同工况的数值模拟结果进行了比较, 发现二者变化趋势一致. 实验观测和理论结果的比较进一步验证了表面张力温度系数为正值时二元工质液层的热毛细流动输运特性.      

半浮区热毛细对流的不稳定性与转捩

近二十年来,微重力流体开展了半浮区液桥热毛细对流的不稳定性与转捩的研究．文中给出了热毛细振荡对流发生的临界参数,分析了液桥几何位形（尺度比,体积比）、物理参数及传热参数对临界Ｍａｘａｎｇｏｎｉ的影响．报导了有关的地面模拟实验,微重力实验以及本问题的线性稳定性分析、能量分析和数值模拟结果,并介绍了定常轴对称热毛细对流通过非定常振荡热毛细对流到湍流的转捩过程和三种热毛细振荡对流的产生机理．     

半浮区热毛细对流的不稳定性与转捩

近二十年来,微重力流体开展了半浮区液桥热毛细对流的不稳定性与转捩的研究．文中给出了热毛细振荡对流发生的临界参数,分析了液桥几何位形（尺度比,体积比）、物理参数及传热参数对临界Ｍａｘａｎｇｏｎｉ的影响．报导了有关的地面模拟实验,微重力实验以及本问题的线性稳定性分析、能量分析和数值模拟结果,并介绍了定常轴对称热毛细对流通过非定常振荡热毛细对流到湍流的转捩过程和三种热毛细振荡对流的产生机理．      

半浮区液桥热毛细振荡流

采用非定常、三维直接数值模拟方法研究大Pr数半浮区液桥热毛细对流从定常流向振荡流的过渡过程．文中详细描述了热毛细振荡流的起振和振荡特征,给出了液桥横截面上振荡流的流场和温度分布．在地面引力场条件下计算的结果与地面实验的结果进行比较,得出液桥水平截面上的流场和温度分布图样以一定的速度旋转,自由表面固定点处流体的环向流速正、负交替变化的一致结论．     

双自由面溶质?热毛细液层的不稳定性

溶质?热毛细对流是流体界面的浓度和温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动, 它主要存在于空间微重力环境、小尺度流动等表面张力占主导的情况中, 例如晶体生长、微流控、合金浇筑凝固、有机薄液膜生长等. 对其流动进行稳定性分析具有重要意义. 本文采用线性稳定性理论研究了双自由面溶质?热毛细液层对流的不稳定性, 得到了两种负毛细力比(η)下的临界Marangoni数与Prandtl数(Pr)的函数关系, 并分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 溶质?热毛细对流和纯热毛细对流的临界模态有较大的差别, 前者是同向流向波、逆向流向波、展向稳态模态和逆向斜波, 后者是逆向斜波和逆向流向波. 在Pr较大时, Pr增加会降低流动稳定性; 在其他参数下, Pr增加会增强流动稳定性. 在中低Pr, 溶质毛细力使流动更加不稳定; 在大Pr时, 溶质毛细力的出现可能使流动更加稳定; 在其他参数下, 溶质毛细力会减弱流动稳定性. 流动稳定性不随η单调变化. 在多数情况下, 扰动浓度场与扰动温度场都是相似的. 能量分析表明: 扰动动能的主要能量来源是表面张力做功, 但其中溶质毛细力和热毛细力做功的正负性与参数有关.      

Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性分析

热毛细对流是流体界面温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动. 它主要存在于空间等微重力环境或小尺度流动等表面张力占主导的情况中. 在很多工业领域, 如晶体生长、聚合物加工、喷墨打印、微流控, 产品质量都与热毛细对流密切相关. 空间3D打印是太空制造的重要技术, 可以支持空间站的在轨长期有人照料的运行和维护, 实现按需制造. 本文以聚合物流体的空间3D打印为应用背景, 采用线性稳定性理论研究了Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性, 得到了在不同Bingham数(B)下的临界Marangoni数(Ma_c)与Prandtl数(Pr)的函数关系,分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 该流动的临界模态包括流向波和斜波模态, 与B, Bi和两界面垂直方向上的温差(Q)相关. B和Bi的增加会增强热毛细对流的稳定性. 当Q = 0时, 扰动温度分布分成对称和反对称两种情况. 当Q > 0时, Pr的增加会减弱流动稳定性. 在小Pr情况下, 扰动温度分布在整个流场, 在大Pr情况下, 扰动温度在栓塞区为零. 能量分析表明: 扰动动能的主要能量来源是表面张力做功, 但小Pr数下基本流也有一定贡献.      

热毛细对流温度场ESPI检测研究

在地面上用二维液体盒研究了热壁下气泡周围液体中的热毛细对流现象,并应用电子散斑干涉技术（ESP）对热毛细对流温度场进行了实时检测研究,给出了部分典型的实验结果。     

矩形液池热毛细对流转捩途径研究

主要研究矩形液池热毛细对流的分岔转捩. 通过测量流体内部温度振荡情况, 详细研究了热毛细对流的转捩过程和转捩途径. 实验发现, 矩形液池热毛细对流的转捩过程依次经历了定常、规则振荡、不规则振荡的阶段. 对于不同普朗特数的硅油在不同长高比情况下, 通向混沌的途径不同. 在转捩过程中, 随着温差的增加, 普朗特数在16 (1cSt) 以下和普朗特数为25 (1.5cSt)、长高比为26 的硅油热毛细对流主要以准周期分岔的转捩方式为主;而普朗特数为25 以上的则以倍周期分岔的转捩方式为主;两种分岔有时还会伴随有切分岔形式的出现.实验中还观察到了表面波动和对流涡胞振荡等现象.      

半浮区液桥热毛细对流速度场特征

液桥流场的速度分布是液桥表面张力梯度驱动对流的一个重要研究内容。通过地面模拟微重力环境的液桥实验以及数值计算,研究了外加温差、液桥腰径等对流场速度分布的影响,实验结果与数值计算结果相当符合。结果还表明,当液桥腰径减小时,流场的结构发生了变化,涡心由一个转化成两个。     

Marangoni convection in an annular cylindrical tank

If the free liquid-gas interface of a liquid in an annular container is subjected to a temperature gradient the temperature dependent shear stress on the free liquid surface creates by viscous traction a thermocapillary convection in the bulk of the liquid. For constant temperature T ₁ of the inner and T ₂ of the outer wall a steady Marangoni convection takes place, while for time-oscillatory temperatures of the walls a time-dependent thermocapillary convection appears, which will create on the free liquid surface wave patterns. They shall, depending on the forcing frequency of the temperature, exhibit resonance peaks. The velocity distribution and the response magnitude inside the container has been determined. Received on 11 July 1997     

Axisymmetric thermocapillary convection in a slowly rotating annular cylindrical container

In a slowly rotating annular cylindrical container the free liquid surface (liquid-gas interface) is subjected to a temperature gradient in radial direction. The temperature dependent surface tension creates a shear stress on the interface which is transmitting a thermocapillary convection in the bulk of the liquid. For constant temperature T ₁ of the inner and T ₂ of the outer wall a steady Marangoni convection takes place, exhibiting a double vortex ring of equal directional flow. For time-oscillatory temperatures of the walls a time-dependent thermocapillary convection appears, which will create on the free liquid surface various wave patterns. They shall, depending on the forcing frequency of the temperature, exhibit resonance peaks. The velocity distribution and the response magnitude inside the container has been determined. Received on 3 September 1997     

Numerical study on magneto-convection of cold water in an open cavity with variable fluid properties

The aim of the present study is to understand the problem of buoyancy and thermocapillary induced convection of cold water near its density maximum in an open cavity with temperature dependent properties in the presence of uniform external magnetic field. The governing equations are solved by the finite volume method. The results are discussed for various values of reference temperature parameter, density inversion parameter, Rayleigh, Hartmann and Marangoni numbers. It is observed that the temperature of maximum density leaves strong effects on fluid flow and heat transfer due to the formation of bi-cellular structure. Convection heat transfer is enhanced by thermocapillary force when buoyancy force is weakened.