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。     

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．     

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．     

浮区热毛细对流

概述了浮区中平行于自由面的表面张力梯度驱动热毛细对流领域的研究.研究兴趣集中于振荡热毛细对流的起振,或者说从定常流动到振荡流动的转捩. 起振依赖于一系列的临界参数,临界关系可以表示为这些临界参数的复杂函数. 实验结果表明,振荡流中速度的变化和平均流动的速度有相同的量级, 而其它量的变化,比如温度和自由面半径的波动, 相比于它们的平均量而言则要小得多.因此, 起振应是流体中动力学过程的结果, 该问题是强非线性的.在过去几十年中, 一些理论模型被引入来研究这个问题,使用的方法包括理论分析方法、 线性不稳定性分析方法、能量稳定性分析方法以及非定常的三维直接数值模拟.其中直接数值模拟被认为是对强非线性过程进行深入分析的最适合方法,通常能得到和实验较符合的结果.从振荡热毛细对流向湍流的转捩提供了一个研究混沌行为的新系统,开创了一个非线性科学的新前沿, 是一个集中了大量近期工作的研究热点.该文对浮区热毛细对流作了一个回顾, 包括理论模型和分析,以及实验研究.     

液桥中不同Prandtl数流体的热毛细对流

本文研究从上面加热的液桥中不同 pr 数流体的热表面张力驱动对流。在 Ma 数相同的条件下,不同 pr 数流体液桥中的温度分布和流场结构定性相似,但定量结果不同。小pr数(pr<<1)流体液桥中的粘性边界层远小于热边界层,最大流函数所在位置向冷端偏移,有较大的流动速度。结果表明,Ma 数是描述这种流动的敏感参数。     

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.     

热毛细对流表面波空间实验研究

介绍了实践十号返回式科学实验卫星19项科学项目载荷之一:热毛细对流箱表面波空间实验研究,包括项目研究目标、意义、研究内容、空间实验模型及地面匹配实验结果等.阐述了本项目开展空间实验研究的必要性,用科学的地面实验研究数据预测和对比微重力条件下可能获得的研究结果,展望本项目可能取得的成果.     

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。     

热毛细对流温度场全息干涉检测研究

本文采用Ｈｅｌｅ－Ｓｈａｗ盒体,在地面上模拟二维热毛细对流,应用全息干涉技术对热毛细对流温度场进行了测试研究,为了获得感兴趣的热毛细对流温度增量分布,文中提出了将背景温度分布条纹与热毛细对流温度增量分布条纹相分离的方法。     

Experimental study on thermocapillary convection

In the present paper, the experimental studies on thermocapillary convection are reviewed. The author‘s interest is mainly focused on the onset of oscillatory thermocapillary convection,the features of oscillatory flow pattern, and the critical Marangoni number related with temperature and free surface oscillation. The coordinated measurement in a microgravity environment of a drops haft is also addressed.     

Two bifurcation transition processes in floating half zone convection of larger Prandtl number fluid

Processes of the onset oscillation in the thermocapillary convection under the Earth's gravity are investigated by the numerical simulation and experiments in a floating half zone of large Prandtl number with different volume ratio. Both computational and experimental results show that the steady and axisymmetric convection turns to the oscillatory convection ofm=1 for the slender liquid bridge, and to the oscillatory convection before a steady and 3D asymmetric state for the case of a fat liquid bridge. It implies that, there are two critical Marangoni numbers related, respectively, to these two bifurcation transitions for the fat liquid bridge. The computational results agree with the results of ground-based experiments. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19789201) and the Ministry of Science and Technology of China (95-yu-34)     

Three-dimensional numerical simulation of thermocapillary instabilities in floating zones

Instability of thermocapillary convection in liquid bridges of low Prandtl number fluids is investigated by direct three-dimensional and time-dependent simulation of the problem. The field equations are numerically solved explicit in time and with finite difference methods in a staggered cylindrical grid. The numerical results are analyzed and interpreted in the general context of the bifurcation's theory. According to recent stability analyses the computations show that for semiconductor melts the first bifurcation is characterized by the loss of spatial symmetry rather than by the onset of oscillatory flow. When the basic axisymmetric flow field becomes unstable, after a short transient, a three-dimensional supercritical steady state is obtained. It is shown that the flow field organization, depending on the critical wave number, is related to the geometrical aspect ratio of the liquid bridge and that lower is the aspect ratio, higher is the critical wave number and more complex the thermofluid-dynamic field structure.     

Convective Instability of Oldroyd-B Fluid Saturated Porous Layer Heated from Below using a Thermal Non-equilibrium Model

The linear stability of a viscoelastic fluid saturated densely packed horizontal porous layer heated from below and cooled from above is investigated by considering the Oldroyd-B type fluid. A generalized Darcy model, which takes into account the viscoelastic properties, is employed as momentum equation and a two-field model is used for energy equation each representing solid and fluid phases separately. Linear stability analysis suggests that, there is a competition between the processes of viscous relaxation and thermal diffusion that causes the first convective instability to be oscillatory rather than stationary. Analytical expression for the occurrence of oscillatory onset is obtained, and it is found that the necessary condition for the existence of the same is Λ < 1. Besides, the effect of viscoelastic parameters and the thermal non-equilibrium on the stability of the system is analyzed.     

有关多层流体对流的研究

简述多层不相混流体系统的研究发展,尤其是在空间材料生长过程中的应用;介绍多层流体系统内流体对流及传热现象,以及利用理论分析、实验研究和数值模拟方法研究二层及三层流体内的自然对流及热毛细对流的成果,并分析探讨覆盖液体层对被覆盖液体的动力控制特性及其系统的稳定性