液封液橋內(nèi)振蕩熱毛細(xì)對(duì)流的三維數(shù)值模擬.pdf

1、浮區(qū)法是晶體材料制備中廣泛應(yīng)用的一種方法，基于浮區(qū)法的液橋模型是一種研究熱毛細(xì)對(duì)流的理論模型，該模型不涉及液一固界面處的相變過程。在微重力條件下，表面張力梯度引起的熱毛細(xì)對(duì)流成為影響材料品質(zhì)的主要因素，因而成為重要的研究課題。為削弱熱毛細(xì)對(duì)流，近年來發(fā)展起來的液封技術(shù)，在抑制熱毛細(xì)對(duì)流方面頗具魅力。為了了解微重力下液封液橋內(nèi)熱毛細(xì)對(duì)流的基本特性，本文建立了不相溶混的兩層流體熱毛細(xì)對(duì)流的物理數(shù)學(xué)模型，利用有限容積法進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)三維數(shù)值模擬

2、，得到了液封液橋內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布，分析了Marangoni數(shù)、液封液橋直徑和高度等對(duì)熱毛細(xì)對(duì)流的影響，證實(shí)了液封技術(shù)能夠有效削弱熔體主流區(qū)的熱毛細(xì)對(duì)流，從而提高晶體生長(zhǎng)質(zhì)量。 模擬結(jié)果表明，對(duì)于液封液橋內(nèi)的熱毛細(xì)對(duì)流過程而言，當(dāng)Marangoni數(shù)較小時(shí)，流動(dòng)為穩(wěn)定的軸對(duì)稱流動(dòng)；當(dāng)Marangoni數(shù)超過某一臨界值后，流動(dòng)將轉(zhuǎn)化為三維的振蕩流動(dòng)。為此，確定了流動(dòng)轉(zhuǎn)化時(shí)的臨界Marangoni數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬計(jì)算的臨界M

3、arangoni數(shù)比重力條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏高，說明浮力會(huì)加快流型的轉(zhuǎn)變。 當(dāng)三維振蕩熱毛細(xì)流發(fā)生時(shí)，在液封內(nèi)流動(dòng)的振蕩幅度很大，而在液橋內(nèi)流動(dòng)變?nèi)?，即液封能有效地抑制液橋?nèi)的熱毛細(xì)對(duì)流。隨著液封厚度的減薄，液封層抑制液橋內(nèi)熱毛細(xì)流動(dòng)的能力增強(qiáng)，液橋?qū)觾?nèi)熱毛細(xì)流動(dòng)變?nèi)?；周向溫度振蕩波?shù)與液橋直徑和Marangoni數(shù)有關(guān)，隨著液橋內(nèi)徑增加，溫度振蕩波數(shù)增多；當(dāng)Marangoni數(shù)增大時(shí)，流動(dòng)加強(qiáng)，振蕩頻率增大；當(dāng)液封直徑增大時(shí)液封