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。     

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。     

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。     

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.      

高径比对GaAs熔体液桥热毛细对流失稳的影响

采用基于谱元法线性稳定性分析方法,研究了高径比对GaAs熔体(Pr=0.068)液桥热毛细对流失稳的影响,同时结合能量分析揭示了热毛细对流的失稳机制.研究结果表明:与典型低普朗特数(例如Pr=0.011)熔体静态失稳模式和典型高普朗特数(例如Pr>1)熔体振荡失稳模式不同,GaAs熔体热毛细对流失稳模式依赖于液桥高径比...     

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.     

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。     

液封液桥内热毛细对流的数值模拟

建立了液封液桥(不相溶混的双层同轴液柱)内热毛细对流的物理数学模型,采用涡量-流 函数法、利用有限差分格式对微重力条件下液封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,证实了液封技术能削弱液桥主流区的热毛细对流,从而提 高浮区晶体生长质量,找出了液封厚度以及内、外层流体物性参数比对液桥内热毛细对流的 影响规律.     

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.     

浮力-热毛细对流表面位型研究

将栅线结构光源系统与图像处理技术相结合,形成一种实时诊断浮力-热毛细对流表面形貌的光学测量系统.研究两端带有温差的矩形池内薄层流体的表面变形.应用图像互相关方法对实验结果进行计算和分析,得到了流体表面变形定量的实验结果.实验结果表明了在浮力-热毛细对流的发展过程中,出现流体表面变形,温度梯度、表面张力、浮力、液固亲润问题、以及壁面温度决定了该表面变形大小和变形方向.     

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.     

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.      

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.     

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.     

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．