環(huán)形液池內(nèi)溶質(zhì)毛細(xì)對流及其與熱毛細(xì)對流的耦合效應(yīng).pdf

1、溶質(zhì)毛細(xì)效應(yīng)是合金澆鑄凝固、半導(dǎo)體晶體生長、焊接及混合工質(zhì)相變傳熱等工業(yè)過程中不可忽略的重要因素，其與熱毛細(xì)效應(yīng)耦合的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣闊。為了獲得高質(zhì)量的二元晶體和合金，非常有必要深入研究坩堝內(nèi)溶質(zhì)毛細(xì)力、熱毛細(xì)力和浮力等驅(qū)動力的耦合效應(yīng)，分析流動的基本特性，了解流動穩(wěn)定性和失穩(wěn)機(jī)理，探討流動過程的調(diào)控技術(shù)。目前，對溶質(zhì)毛細(xì)效應(yīng)及其與熱毛細(xì)效應(yīng)耦合的研究較少，且缺乏對上述兩種毛細(xì)效應(yīng)以及浮力效應(yīng)耦合的定量分析。本文一方面采用數(shù)值模擬和實

2、驗相結(jié)合的方法，研究環(huán)形液池內(nèi)純?nèi)苜|(zhì)毛細(xì)對流的基本特性，另一方面，探討溶質(zhì)毛細(xì)力、熱毛細(xì)力及浮力等作用力相互耦合時流動的基本特征，揭示流動失穩(wěn)的臨界條件、流型轉(zhuǎn)變規(guī)律及流動失穩(wěn)的機(jī)理。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　(1)采用數(shù)值模擬研究了僅存在徑向溶質(zhì)濃度梯度作用時環(huán)形液池內(nèi)的純?nèi)苜|(zhì)毛細(xì)對流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶質(zhì)毛細(xì)雷諾數(shù)較小時，純?nèi)苜|(zhì)毛細(xì)流動為軸對稱穩(wěn)態(tài)流動，液層內(nèi)部出現(xiàn)嵌在基礎(chǔ)流胞中的小流胞，隨著溶質(zhì)毛細(xì)雷諾數(shù)增加，小流胞數(shù)量增多

3、，液層內(nèi)流動增強(qiáng)。當(dāng)溶質(zhì)毛細(xì)雷諾數(shù)超過臨界值后，軸對稱穩(wěn)態(tài)流動依次轉(zhuǎn)變?yōu)槎S周期振蕩流動、駐波及溶質(zhì)流體波（HSW）型式的振蕩流動。改變徑向濃度梯度方向后，流動穩(wěn)定性增強(qiáng)，流型演變序列相同。重力條件下浮力使流動增強(qiáng)，當(dāng)溶質(zhì)毛細(xì)雷諾數(shù)超過臨界值較多時，自由表面上濃度波動也表現(xiàn)為HSW型式。
　　(2)對徑向溫度和溶質(zhì)濃度梯度共同作用下環(huán)形液池內(nèi)耦合熱-溶質(zhì)毛細(xì)對流進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，當(dāng)熱毛細(xì)雷諾數(shù)較小時，隨著毛細(xì)力比和熱毛細(xì)雷

4、諾數(shù)的變化，液層中出現(xiàn)三種類型的二維穩(wěn)態(tài)流動，分別是沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)的單胞流、沿順時針方向旋轉(zhuǎn)的單胞流、以及兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的流胞共存的流型。隨著熱毛細(xì)雷諾數(shù)增加，二維穩(wěn)態(tài)流動依次轉(zhuǎn)變?yōu)槿S穩(wěn)態(tài)流動、二維或三維周期性振蕩流動。當(dāng)毛細(xì)力比從0變化至-1時，兩種流型轉(zhuǎn)變的臨界毛細(xì)雷諾數(shù)均先減小、后增加，而流動轉(zhuǎn)變的臨界頻率和臨界波數(shù)也與毛細(xì)力比密切相關(guān)。在計算的毛細(xì)力比范圍內(nèi)，共發(fā)現(xiàn)了兩種三維周期性振蕩流動，分別為振蕩直條輻型式和行波型式，

5、液層自由表面出現(xiàn)了呈熱流體波（HTW）和溶質(zhì)流體波的溫度和溶質(zhì)濃度波動型式。
　　(3)對于毛細(xì)力比為-1的特殊工況，當(dāng)熱毛細(xì)雷諾數(shù)超過某一臨界值后，靜止無流動狀態(tài)的液層內(nèi)依次出現(xiàn)行波（TW）、徑向行波與靜止波共存（CTSW）、以及振蕩直條輻（VSP）等流型。流動為TW時，熱毛細(xì)效應(yīng)與溶質(zhì)效應(yīng)大小相近；隨著熱毛細(xì)雷諾數(shù)增加，熱毛細(xì)效應(yīng)對流動的影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。流動為CTSW流型時，液層中同時存在穩(wěn)態(tài)流動區(qū)域與周期振蕩流動區(qū)域，

6、流場隨時間的變化和在空間上的分布都是有序的，而對VSP流型而言，自由表面流型為有序的“花瓣”狀圖型，在空間分布上有序，但流動隨時間的變化是混亂的。
　　(4)對重力條件下的耦合熱-溶質(zhì)毛細(xì)-浮力對流進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，當(dāng)熱毛細(xì)雷諾數(shù)較小時，共存在四種二維穩(wěn)態(tài)流動結(jié)構(gòu)，即沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)的單流胞結(jié)構(gòu)、兩個渦胞左右分布和上下分布的結(jié)構(gòu)、以及沿順時針方向旋轉(zhuǎn)的單流胞結(jié)構(gòu)。隨著熱毛細(xì)雷諾數(shù)增加，二維穩(wěn)態(tài)流動將依次轉(zhuǎn)變?yōu)槿S穩(wěn)態(tài)流動、

7、二維或三維周期性振蕩流動。當(dāng)毛細(xì)力比從0變化至-0.8時，二維穩(wěn)態(tài)流動轉(zhuǎn)變?yōu)槿S穩(wěn)態(tài)流動的第一臨界熱毛細(xì)雷諾數(shù)逐漸增加，而穩(wěn)態(tài)流動轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛哉袷幜鲃拥牡诙R界值先增加、后減小。重力條件下的第一臨界值與零重力條件下的值相差不大，而第二臨界值的相對大小則與毛細(xì)力比有關(guān)。三維周期性振蕩流動型式與毛細(xì)力比有關(guān)，在計算毛細(xì)力比范圍內(nèi)，共發(fā)現(xiàn)了振蕩直條輻和沿周向傳播的行波兩種流型，以及熱流體波和溶質(zhì)流體波波動型式。
　　(5)當(dāng)毛細(xì)力比在-

8、0.3附近時，耦合熱-溶質(zhì)毛細(xì)-浮力對流出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，時相關(guān)振蕩流動轉(zhuǎn)變?yōu)槿S穩(wěn)態(tài)流動。當(dāng)毛細(xì)力比為-1時，由于熱浮力和溶質(zhì)浮力不平衡，使得液池中只要有溫差就會出現(xiàn)二維軸對稱穩(wěn)態(tài)流動。流動失穩(wěn)后將轉(zhuǎn)變?yōu)槎S軸對稱周期性振蕩流動，隨著熱毛細(xì)雷諾數(shù)繼續(xù)增大，流動會進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)轳v波型式的周期性振蕩流動。當(dāng)保持熱毛細(xì)雷諾數(shù)不變時，液池內(nèi)流動隨深寬比的改變將分別出現(xiàn)周期振蕩、亞臨界非穩(wěn)態(tài)以及三維穩(wěn)態(tài)等流型。
　　(6)采用實驗方法研究了環(huán)