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。     

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。     

深径比对邱克拉斯基结构内旋转驱动流动的影响

为了了解深径比对邱克拉斯基(Czochralski)结构内旋转驱动流动的影响,利用有限容积法进行了三维非稳态数值模拟。结果表明:随着液池深径比的增加,流动逐渐加强,当旋转速度超过某一临界值后,流动转变为三维非稳态振荡流动。随着液池深径比的增加,速度波振荡幅度增大,速度波波数和周向传播方向都随之改变;浅液池内坩埚旋转作用占主导地位,速度波传播方向与坩埚旋转方向相同,深液池内晶体旋转大于坩埚旋转对流动的影响,速度波传播方向和晶体旋转方向相同。     

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。     

旋转对邱克拉斯基结构内双组分溶液流动稳定性的影响

为了了解晶体和坩埚旋转对具有水平温度梯度的邱克拉斯基(Czochralski)结构液池内双组分溶液热毛细-浮力对流的影响,以质量分数为50%的正癸烷/正己烷双组分溶液为工质进行了一系列实验。结果表明,当晶体/坩埚单独旋转时,随着晶体转速增加,旋转首先会抑制流动失稳,然后促进失稳,失稳后的振荡主频逐渐增大;坩埚单独旋转会抑制流动失稳,失稳后的振荡主频随坩埚转速增加先减小、后增大,相同条件下双组分溶液比纯工质易于失稳。当晶体/坩埚同时旋转时,随着晶体转速增加,同向旋转时主频逐渐增大,反向旋转时主频先减小、后增大。     

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     

表面散热对双组分溶液热-溶质毛细对流的影响

为了了解表面散热对耦合热-溶质毛细对流的影响,对环形浅液池内考虑Soret效应的双组分溶液耦合热-溶质毛细对流进行了三维数值模拟。环形液池深宽比和半径比分别为0.1和0.5,工质为质量分数等于26.27%的甲苯/正己烷混合溶液。结果表明,当流动为二维稳态时,在Soret效应作用下,溶质会向内侧壁转移,浓度梯度和温度梯度方向相反。随着Biot数增加,流动失稳的临界热毛细雷诺数和临界振荡频率均减小,但波数增加。流动失稳后,在自由表面会出现与温度波动类似的浓度波动;随着热毛细雷诺数增加,不论自由表面是否绝热,流动均会过渡到混沌状态。     

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...     

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．     

环形浅液池内浮力-热毛细对流的渐近解

为了了解水平温度梯度作用下环形浅液池内浮力-热毛细对流的基本特性,采用渐近线方法获得了环形浅液池内浮力-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,通过与数值模拟结果的比较表明,所得结果是合理的。     

环形池内反常热毛细对流及稳定性线性稳定性分析

线性稳定性分析研究了环形池内反常热毛细对流及其稳定性,分析了液层深度对它们的影响。结果表明;当Ma较小时,反常热毛细对流为稳定的轴对称流动;当Ma超过临界值后,反常热毛细对流失稳,形成三维稳态波纹,波纹的形态与液层厚度有关。当液层深度H(H=d/ΔR,d为环形池深度,△R为内外径宽)小于0.0833时,失稳波纹为波数较多、位于环形池外环边沿、短小细密的"边沿波";当H大于0.0833时,为波数较少、波纹较宽、几乎占据整个液层、呈轮辐状的"轮形波";H等于0.0833时,同时存在这两种波纹的可能性。随着液层深度的增加,对流失稳的临界Ma数逐渐减小。能量收支分析讨论了它们的失稳机理。     

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.     

新型分离结晶法的三维数值模拟研究

本文借助三维数值模拟的方法,对微重力条件下新型分离结晶Bridgman生长过程中熔体内部的热毛细对流进行模拟计算。结果表明:(1)Ma数较小时,流动为稳态流动;当Ma数超过一定数值后,流动发展为非稳态热毛细对流。(2)狭缝宽度越大,流动越容易失稳。(3)随着高径比的增大,狭缝处流胞的流动范围增大。     

环形液层内热毛细对流的线性稳定性分析

为了了解液层深度对热毛细对流不稳定性的影响,利用线性稳定性理论分析了内径为20 mm、外径为40 mm、深度为1～20 mm的环形液层内硅油(Pr=6.7)的热毛细对流,重点考察了发生热流体波的临界温差及热流体波的临界周向波数,结果表明,临界温差随液层深度的增加而降低.讨论了浮力对热流体波及其临界条件的影响,并证实了常重力条件下当液层厚度大于5 mm时,热流体波呈静止状态这一现象.     

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.     

液桥耦合热-溶质毛细对流自由表面变形的数值研究

采用二维轴对称模型数值研究了液桥耦合热-溶质毛细对流流动特性,自由表面变形使用Level set方法进行捕获,分析了热Marangoni数与溶质Marangoni数比值(R_σ)对流场及自由表面变形的影响。结果显示,当R_σ-1,流场由一个顺时针对流组成,自由表面在底部凸起,而在上部凹陷,且随着R_σ减小自由表面变形幅度增大。当R_σ=-1时,流场由两个反向旋转的对流涡组成,自由表面的变形幅度较小。当R_σ-1时,流场由一个逆时针旋转的对流涡组成,自由表面在上部凸起而在下部凹陷,随着R_σ增大自由表面变形幅度增大。     

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。     

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。     

Soret效应对环形浅池内溶液热毛细对流的影响

采用三维数值模拟方法研究了Soret效应对深宽比为0.1的环形浅液池内双组分溶液热毛细对流的影响。结果表明,当热毛细Reynolds数较小时,溶液流动为二维轴对称稳态流动,相同热毛细Reynolds数下双组分溶液热毛细对流强于纯工质。由于双组分溶液中Soret效应的作用,冷壁面附近溶质浓度大于热壁面附近溶质浓度,且溶质毛细力方向与热毛细力方向一致,因此,溶液流动加强,相比纯工质更易失稳。流动失稳后,双组分溶液中呈现出热流体波与三维振荡流动并存的流动结构,且Soret效应对热流体波波数和主频有明显影响。     

分离结晶过程中熔体热毛细对流的转变

为了了解微重力条件下新型分离结晶生长过程中熔体热毛细对流的基本特征,利用有限差分法进行了数值模拟,熔体深径比A取1和2,自由界面无因次宽度B分别取0.05、0.075和0.1.当熔体上表面为自由表面时,得到了分离结晶Bridgman生长过程中熔体热毛细对流的流函数和温度分布.计算结果表明:当Ma数较小时,在上下两个自由表面的表面张力的驱动下,熔体内部产生了两个流动方向相反的流胞,流动为稳态流动,随着Ma数的增加,上下自由表面速度增大,温度分布的非线性增加;当Ma数超过某一临界值后,流动将转化为非稳态流动;与熔体上表面为固壁时相比,A=1时的临界Ma数减小,而A=2时的临界Ma数增大;流动失稳的物理机制是流速的变化和阻力的变化之间存在滞后.