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。     

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。     

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。     

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．     

Soret效应对具有自由表面的圆柱形浅池内双组分溶液热对流影响的实验研究

为了探究Soret效应对具有自由表面的圆柱形浅液池内双组分溶液热对流过程的影响, 通过实验观察了质量分数为50%的正癸烷/正己烷混合溶液在不同深宽比的液池内流动失稳后的自由表面耗散结构及液池内的温度波动. 结果表明, 双组分溶液流动失稳的临界热毛细Reynolds数小于纯工质的值, 且其随液层深宽比的变化规律与纯工质相同. 当深宽比小于0.0848时, 流动失稳后在自由表面观察到热流体波, 监测点处温度波动主频随热毛细Reynolds数增大而增加; 当深宽比大于0.0848时, 随热毛细Reynolds数的增大, 流动失稳后自由表面依次呈现轮辐状、花苞状、分离-合并-分离交替变化的条纹状结构.     

毛细力比对环形液池内耦合热-溶质对流的影响

为了了解毛细力比R_σ对耦合热溶质毛细对流的影响,对深宽比为0.15的环形浅液池内双组分溶液耦合热-溶质毛细对流进行了三维数值模拟。液池内、外壁分别维持恒定温度和浓度,工质为甲苯/正己烷混合溶液,Prandtl数为5.54,Lewis数为25.8。结果表明,当热毛细Reynolds(ReT)数较小时,耦合热-溶质毛细对流为三维稳态流动,当ReT数超过临界值后,流动将转变为三维周期性振荡流动;在计算范围内(-1≤R_σ≤0),随着毛细力比的增加,流动失稳的临界Re_T数会逐渐减小。     

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。     

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.     

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。     

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.     

旋转环形浅液池内双组分溶液耦合热-溶质毛细对流渐近解

为了了解水平温度梯度作用下旋转环形浅液池内耦合热-溶质毛细对流基本特征, 采用匹配渐近展开法对旋转环形浅液池内耦合热-溶质毛细对流过程进行了求解, 获得了中心区域的速度、温度和浓度分布,分析了旋转、Soret效应、浮力、溶质扩散 系数和液池的几何尺寸对流动结构的影响.将所得到的渐近解和文献中的已有结果进行对比,证明了所求结果的正确性;在浅液池内,耦合热-溶质毛细力对流体流动起主导作用, 旋转和浮力对流动的影响较小,溶质扩散系数和几何尺寸有较明显影响;当各种耦合的 驱动力作用方向相同时,流动增强;否则, 流动减弱. 关键词： 旋转 环形浅液池 耦合热-溶质毛细对流 渐近解     

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.     

Pr数对环形浅液池热毛细对流的影响

为了解流体普朗特数(Pr)对热毛细对流的影响,通过线性稳定性分析,确定了环形浅液池内硅熔体(Pr＝0.011)和几种硅油(Pr数从6.7至57.9)热毛细对流失稳的临界条件,获得了它们在临界条件下的热流体波,特别是高Pr数硅油的热流体波.结果发现:当Pr≤15.9时,临界Ma数随Pr数的增加迅速上升,此时环形池内只有一...     

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...     

绕汽柱热毛细对流的数值模拟

本文建立了一个在常重力及微重力情况下绕汽柱热毛细对流的数学模型,并采用有限差分法来积分非稳态动量方程和能量方程,得到了不同参数下热毛细对流的数值解．通过数值模拟,得到了不同参数下热毛细对流的速度矢量场,了解了有关无量纲参数对热毛细对流的影响规律．得出结论：热毛细对流不仅在微重力条件下存在,即使在重力场中,在特定情况下也是不能忽略的。     

液封液桥内振荡热毛细对流的三维数值模拟

为了了解微重力下液封液桥内热毛细对流的基本特性,利用有限差分法进行了非稳态三维数值模拟,液桥高为(1-3)mm,直径为2mm和3 mm,液封外直径为(4-7)mm。模拟结果表明,当Marangoni数较小时,液封液桥内的热毛细对流为稳定的轴对称运动,当Marangoni数超过某一临界值后,流动将转化为三维振荡流动;为此,确定了发生振荡的临界Marangoni数,分析了各种条件下热毛细对流的振荡特性,计算了相应的振荡频率。     

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.     

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.     

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。