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.      

Benard—Marangoni对流温度振荡转捩实验研究

主要通过实验观测Bénard-Marangoni对流中存在的温度振荡现象, 研究了温度 振荡的起振临界Ma数, 以及初步探讨了温度振荡随Ma数增加的转捩过程. 实验结果表明不同物性参数的硅油温度振荡临界Ma数满足同一临界条件. 不同的物 性参数的介质表现出不同的温度振荡转捩过程, 但同一物性参数不同厚度的介质表 现相同的振荡规律. 此外, 还用粒子迹线法观察了流场结构及转捩过程.     

Bénard-Marangoni 对流温度振荡转捩过程实验研究

本文主要是通过实验观测 Bénard-Marangoni 对流中存在的温度振荡现象,研究了温度振荡的起振临界 Ma数,以及初步探讨了温度振荡随 Ma 数增加的转捩过程。实验结果表明不同物性参数的硅油温度振荡临界 Ma 数满足同一临界条件。不同的物性参数的介质表现出不同的温度振荡转捩过程,但同一物性参数不同厚度的介质表现相同的振荡规律。此外,还用粒子迹线法观察了流场结构及转捩过程     

微重力下液封液桥内振荡热毛细对流的数值模拟

对微重力条件下液封液桥(流体采用KF-96硅油和FC-70氟化物,桥高1.4~4毫米,内层直径2或3毫米,外层直径5毫米)和单层液桥(流体采用KF-96硅油,桥高1~1.6毫米,直径2毫米)内的热毛细对流进行了数值模拟,模拟条件与Majima等的实验条件相同。从理论上证实了大温差条件下将出现振荡热毛细对流,确定了发生振荡的临界条件并与相关实验结果进行了对比,同时还计算了振荡频率。     

大普朗特数大液桥浮力-热毛细对流地面实验

通过地面实验研究大尺寸液桥的浮力-热毛细对流. 实验采用2cst硅油(Pr=28.571),研究了不同高径比(A=l/d)和体积比的液桥起振,分析了温度振荡频率及相位变化,探讨了热流体波的问题. 实验液桥的桥柱直径为20mm,由于受重力的限制,建立了3～4.25mm范围内的矮桥. 通过伸入液桥内部不同位置的热电偶的温度信号,发现流场是同时起振的,不同的桥高和体积比有不同的振荡模式,并且随着温差的增加,频率近似以线性增加,各点的振荡相位是一个连续性变化的过程. 不同高径比的液桥转捩到混沌的途径是不一样的.      

三维数值模拟内环加热液池内热毛细对流

为了深入理解热毛细对流不稳定性的特征,数值模拟了内环壁加热、外环壁被冷却的硅油环形浅液池内热毛细对流.发现在内外壁问温差相同的情况下,在内壁加热的液层里,流体表面的温度梯度高于外壁加热情况下10%左右;相应地,发生热流体波的临界Marangoni数Mac=3.06×105(或临界温差△Tc=4.58K)低于外壁加热情况下的Mac=3.34×105(或△Tc=5.0 K).超过临界条件后,内壁加热液池内形成振荡的多涡胞热流体波,它由共存的两组波数相同、频率和振幅相同、沿周向传播方向相反、沿径向凹向高温壁传播的、弯曲螺旋状的热流体波组成,并相互干涉形成点状波纹.     

大尺寸液桥热毛细对流失稳性地面实验研究

开展大尺寸液桥浮力-热毛细对流地面实验, 探究流场转捩的临界条件及临界状态附近的流动情况. 通过粒子图像测速方法(PIV) 获得流体速度场, 研究液桥内部定常和转捩后的流场结构以及流体运动规律;并用红外热像仪测量液桥自由面温度分布, 研究流体流动的时空演化和温度振荡. 实验发现大尺寸半浮区液桥浮力-热毛细对流临界值与几何参数有关, 在大普朗特(Prandtl) 数情况下, 流场存在由稳定态向不稳定态再到混沌的转捩过程, 在临界马兰哥尼(Marangoni) 数附近, 流场内会出现行波现象, 流动模式也会随高径比的变化而发生变化;当继续增大马兰哥尼数, 流动会进入混沌状态.      

环形浅液池内热流体波的本质特征

为了了解环形浅液池内热毛细对流的特征,利用有限容积法对外壁受热、内壁冷却、厚度为1 mm的环形浅液池内硅油的热毛细对流进行了三维数值模拟.结果表明,当Marangoni(Ma)数小于临界值时,随着Ma数的增加,内、外壁附近的温度梯庹上升,稳定的二维轴对称流动的径向速率增加;超过临界Ma数后,漉动转化为三维振荡对流,形成热流体波.沿径向运动的同时,伴随着热流体波的传播流体质点成对地绕顺时针和逆时针方向旋转.热流体波的周向传播速度较快,而流体质点的周向速度很小.分析发现,热流体波为对数螺线形波纹,其传播角为常数;随着Ma数的增大,传播角增大.     

环形液池内中等Pr数流体的浮力-热毛细对流

为了了解水平温度梯度作用时环形液池内的浮力-热毛细对流特性，利用 有限差分法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3~17 mm，液池内流体为0.65cSt的硅油，其Pr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，在浅的液池内(d=3mm)，转化成三维振荡 流动，在深的液池内(d≥6mm)，转化成三维稳定流动；模拟计算的 临界温差及表面温度分布图像与实验结果基本吻合.     

环形液池内中等Pγ数流体的浮力-热毛细对流

为了了解水平温度梯度作用时环形液池内的浮力-热毛细对流特性,利用有限差分法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3～17mm,液池内流体为0.65cSt的硅油,其Pr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,在浅的液池内(d=3 mm),转化成三维振荡流动,在深的液池内(d≥6mm),转化成三维稳定流动;模拟计算的临界温差及表面温度分布图像与实验结果基本吻合.     

环形浅池内硅熔体中的热流体波

为了了解工业Czochralski炉内硅熔体表面轮型的基本特征,对环形浅池内硅熔体的热毛细-浮力对流进行了三维数值模拟,硅熔池内径为15 mm,外径为50 mm,深度为3 mm,熔池外壁被加热,内壁被冷却,底部固壁和顶部自由表面均绝热或者允许一个垂直方向的传热。模拟结果表明,当径向温差较小时,熔池内会产生稳定的单胞热毛细-浮力流动,随着温差的增大,流动将转变为三维振荡流动,在熔体自由表面会出现沿周向运动的轮型,小的垂直方向的热流密度(3W/cm2)对这种振荡流动没有大的影响。同时,讨论了流动和温度波动的特征,并确定了振荡流动的临界条件。     

半浮区液桥振荡对流的微重力实验

利用日本微重力中心８００ｍ落井装置，完成了半浮区液桥振荡对流的微重力实验，对振荡对流的典型物理量诸如内部温度、流场、自由面边缘变化及表面波进行了综合测量。实验结果给出了振荡对流由地球重力环境向微重力环境的过渡，以及不同几何参数半浮区液桥的振荡特征，并首次获得了微重力环境下热毛细对流的表面波位形及边缘振荡特征．     

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.      

矩形液池内热毛细对流的流动不稳定性

热毛细对流及其不稳定性是微重力流体科学研究的重要内容. 对该问题的研究不仅有利于人们对微重力环境下流体行为、对流不稳定性和湍流转捩过程等基础物理现象的进一步认识,而且也将促进晶体生长、薄膜制备等空间和地面高新技术的发展. 实验研究了矩形液池中浅液层在水平温度梯度作用下产生的热毛细对流及其稳定性. 实验中,成功地利用PIV (particle image velocimetry) 技术对1mm²/s 硅油液层内的浮力热毛细对流流场结构进行了大量观测. 结果表明,液层中的流场结构经历了多种状态的转变,该过程会受到液层厚度的影响. 当液层厚度较小时,比如当d=2:8mm 时,随着液池两端温差的增大,液层中的流场结构会经历单胞对流到双胞对流再到多胞对流的转变,到达多胞对流状态之后,继续增大温差,对流涡胞的数量会有所减少,而当温差进一步增大到一定程度以后,整个液层转变为三维非定常流动;当液层厚度较大时,比如当d=4:5mm 时,随着温差的增大,流动模式的转变主要体现在水平截面流场截面上面,当温差增大到一定程度以后,在靠近高温端的附近区域会出现具有明显三维效应的"梭形结构",该梭形结构的尺寸随着温差的增大而增长,并在温差超过某个临界值时失去对称性,整个液层转变为三维非定常流动.     

反馈时滞对van der Pol振子张弛振荡的影响

研究反馈控制环节时滞对van derPol振子张弛振荡的影响. 首先, 通过稳定性切换分析, 得到了系统的慢变流形的稳定性和分岔点分布图, 结果表明, 当时滞大于某临界值时, 系统慢变流形的结构发生本质的变化.其次, 基于几何奇异摄动理论, 分析了慢变流形附近解轨线的形状, 发现时滞反馈会引起张弛振荡中的慢速运动过程中存在微幅振荡, 其中微幅振荡来自于内部层引起的振荡和Hopf分岔产生的振荡两个方面; 同时, 时滞对张弛振荡的周期也具有显著的影响. 实例分析表明理论分析结果与数值结果相吻合.      

双液滴热毛细迁移的实验研究

在地面实验中，研究在竖直向上温度梯度流场中，双液滴的热毛细迁移运动和它们间的相互 作用. 豆油和硅油分别作为实验系统的母液和液滴. 液滴迁移轨迹被记录和分析. 实验结果 表明，大小液滴的实验迁移速度均小于理论迁移速度；两个液滴之间的相互作用对小液滴的 影响更为明显，使之出现倾斜``8'字的迁移轨迹；两个液滴的运动速度都出现了振荡现象， 小液滴可能出现短时反向迁移. 实验结果与数值模拟结果较为相似，但尚有差异，需要进一 步进行研究.     

水中开孔腔流激振荡控制实验研究

水中开孔腔流激振荡是水下航行器的一类突出噪声源. 为探究有效抑制水中开孔腔流激振荡的控制方法和作用特性, 首先以水下航行器的表面开孔结构为对象设计了开孔腔模型, 并提出一种基于来流边界层分流原理的流动控制装置——前缘分流体, 借助循环水洞装置对水中开孔腔的流激振荡特性及其控制进行了实验研究. 通过沿流向和展向安装于腔底的动态压力传感器测量腔内脉动压力, 分别从腔内脉动压力的频谱特性和空间分布特性两方面, 探讨了水中开孔腔在不同流速下的流激振荡特性和前缘分流体对水中开孔腔流激振荡的控制效果, 并对前缘分流体的主要作用机理进行了分析. 研究结果表明: 水中开孔腔流激振荡形式以剪切层自持振荡为主, 在流速较低时, 如2.4 m/s, 就会产生稳定的自持振荡, 且具有随流速升高而急剧增大的趋势; 前缘分流体对水中开孔腔绕流自持振荡具有良好的抑制效果, 且抑制效果随流速增加而显著提升, 对腔内脉动压力频谱峰值和总级的最大抑制量分别达到25.3 dB和15.6 dB; 此外, 前缘分流体对开孔腔流激振荡具有低频频移作用, 有益于避免发生流激空腔共振; 脉动压力空间分布特性表明, 前缘分流体对水中开孔腔流激振荡抑制机理主要在于破坏了腔内流场受到的周期调制作用.      

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.      

圆形月池流激振荡实验研究

采用基于经验模态分解(EMD)的本征模态函数(IMF)分析方法和对比研究的实验方 法,实验研究了圆形月池在均匀流条件下的流激振荡特性. 通过实验研究发现,尽管腔内的 流体在不同来流的条件下运动趋势有所不同,但归纳起来对于月池结构,其内部存在两类振 荡源,一类是腔内流体的固有振荡,该频率与腔体结构形式、尺寸、腔内流体深度有关,与 来流无关;另一类则是流体流经腔口时产生的流体动力振荡,该频率与来流特性、速度有关. 当二者频率相近时将会激起腔内流体的共振,即会有``活塞(piston)'现象产生. 实验中,还在腔体侧壁上布置了压力传感器,用来分析腔体侧壁受到的流体压力特性及 其变化趋势.     

侧向局部加热腔体内对流时空结构的研究

通过二维流体力学基本方程组的数值模拟,研究了普朗特数Pr=6.949时侧向局部加热腔体内水平温差驱动的自然对流。仔细观察腔体内水平流的入侵过程,发现在冷热流体交接面的上下部位同时出现了冷入侵流和热入侵流,并且在交汇处有破碎扰动波出现。揭示了周期性双局部对流结构,并发现在右壁面温度高于左壁面温度区域顶部有对流卷生成,对流卷随时间沿侧壁面向腔体下部移动,最后消失,同时又有新对流卷在该区域顶部生成,这种现象重复循环着。结果表明:在右壁面温度高于左壁面温度区域,热边界层厚度(θδ)随腔体高度增加而增大;在右壁面温度等于左壁面温度区域,θδ值随腔体高度增加而减小;并且格拉晓夫数(Gr)越大,θδ值越小。