雙向溫差作用下環(huán)形淺液池內(nèi)Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流及浮力-Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流基本特性研究.pdf

1、溫度梯度會(huì)導(dǎo)致液層表面張力和密度不均勻，從而驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)。其中由表面張力不均勻所引起的流動(dòng)被稱為Marangoni或熱毛細(xì)對(duì)流：當(dāng)溫度梯度垂直于自由表面時(shí)，這種流動(dòng)被稱為Marangoni對(duì)流；當(dāng)溫度梯度平行于自由界面時(shí)，這種流動(dòng)為熱毛細(xì)對(duì)流。而由密度不均勻所引起的流動(dòng)被稱為浮力對(duì)流。在重力條件下，Marangoni或熱毛細(xì)對(duì)流和浮力對(duì)流同時(shí)出現(xiàn)。在微重力條件下，浮力對(duì)流消失，而Marangoni或熱毛細(xì)對(duì)流依然存在。目前關(guān)于這些對(duì)流的

2、研究主要針對(duì)單向溫差作用下的流動(dòng)，但是對(duì)于水平和垂直溫度梯度同時(shí)存在時(shí)的 Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流以及浮力-Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的研究還很少。在自然界和實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中這種雙向溫度梯度往往同時(shí)存在，它們共同驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，與單向溫差作用時(shí)相比，流動(dòng)變得復(fù)雜且差異顯著。因此，本課題采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合、數(shù)值模擬為主的方法研究水平和垂直溫度梯度共存時(shí)環(huán)形淺液池內(nèi)中等普朗特?cái)?shù)流體的 Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流以及

3、浮力-Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流，重點(diǎn)探究水平溫差和垂直熱流在驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)中各自發(fā)揮的作用力，得到了Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的基本形態(tài)及不穩(wěn)定性的基本特征，并討論了自由表面換熱對(duì)基本形態(tài)和不穩(wěn)定性特征的影響，分析了重力對(duì)浮力-Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流不穩(wěn)定性的作用機(jī)制。所得結(jié)論從理論上可發(fā)展液層內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)的耗散結(jié)構(gòu)理論、拓展熱毛細(xì)對(duì)流的研究領(lǐng)域，從工程實(shí)踐上可為熔體法單晶生長(zhǎng)奠定重要的理論基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：<

4、br>　　首先，通過(guò)數(shù)值模擬研究了雙向溫度梯度作用下環(huán)形淺液池內(nèi)0.65cSt硅油的Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流，界定了在驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮主導(dǎo)作用的兩個(gè)熱力學(xué)勢(shì)（水平溫差和底部熱流）在對(duì)流中各自發(fā)揮的影響：水平溫差使得表面溫度由內(nèi)壁向外壁遞增，導(dǎo)致表面流體從外壁流向內(nèi)壁；底部熱流使得表面溫度由中間區(qū)域向兩壁遞減，導(dǎo)致表面流體從中間區(qū)域流向兩壁。這兩種力的耦合作用驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，對(duì)流的形態(tài)取決于這兩種力的強(qiáng)度對(duì)比。當(dāng)水平溫差起主導(dǎo)作用時(shí)

5、，表面溫度由內(nèi)壁向外壁遞增；當(dāng)?shù)撞繜崃髌鹬鲗?dǎo)作用時(shí)，表面溫度由中間區(qū)域向兩壁遞減；當(dāng)水平溫差和底部熱流作用力都較為顯著時(shí)，最高表面溫度位于外壁與中間區(qū)域之間，并從此處向兩壁遞減。
　　其次，通過(guò)研究水平溫差和底部熱流對(duì) Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的影響，證明了水平溫差和底部熱流降低了對(duì)流的穩(wěn)定性。穩(wěn)態(tài)對(duì)流為二維軸對(duì)稱流動(dòng)，即表面溫度無(wú)周向波動(dòng)，對(duì)流失穩(wěn)后出現(xiàn)表面溫度周向波動(dòng)，且不穩(wěn)定性越強(qiáng)，周向波動(dòng)越大，同時(shí)表面溫度徑向波動(dòng)導(dǎo)

6、致的徑向流動(dòng)占主導(dǎo)地位，因此提出了用表面溫度徑向波動(dòng)來(lái)表征流動(dòng)的強(qiáng)弱，而用表面溫度周向波動(dòng)來(lái)表征流動(dòng)失穩(wěn)程度。并根據(jù)不穩(wěn)定性的強(qiáng)弱，對(duì) Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的不穩(wěn)定性特征進(jìn)行了基本分類：不穩(wěn)定性較弱時(shí)，表征對(duì)流失穩(wěn)狀態(tài)的表面溫度周向波動(dòng)主要表現(xiàn)為點(diǎn)狀波；不穩(wěn)定性較強(qiáng)時(shí)，底部熱流在驅(qū)動(dòng)流動(dòng)中起絕對(duì)主導(dǎo)作用時(shí)為雙熱流體波，水平溫差起主導(dǎo)作用時(shí)出現(xiàn)熱流體波，當(dāng)水平溫差和底部熱流作用力都較為顯著時(shí)為波長(zhǎng)較短的熱流體波；不穩(wěn)定性過(guò)強(qiáng)時(shí)出

7、現(xiàn)紊亂波動(dòng)。其中，點(diǎn)狀波、熱流體波和雙熱流體波不穩(wěn)定性是一種有序的非平衡態(tài)。點(diǎn)狀波隨時(shí)間沿徑向正方向擴(kuò)散，但是在擴(kuò)散過(guò)程中逐漸減弱同時(shí)新的波動(dòng)在內(nèi)壁處生成然后繼續(xù)沿徑向正方向擴(kuò)散，以此循環(huán)，在整個(gè)變化周期中，點(diǎn)狀波的基本形態(tài)不會(huì)發(fā)生變化；熱流體波和雙熱流體波隨時(shí)間沿周向旋轉(zhuǎn)，在整個(gè)變化周期中，波動(dòng)的基本形態(tài)同樣不會(huì)發(fā)生變化。
　　然后，研究了Bi數(shù)所表征的自由表面換熱和Gr數(shù)所表征的重力對(duì)三種典型的非穩(wěn)態(tài) Marangoni-熱毛

8、細(xì)對(duì)流的影響，結(jié)果表明自由表面熱損失和重力有利于穩(wěn)定雙向溫差作用下的 Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流。并分析了重力抑制 Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的物理機(jī)制為：在表面張力梯度所導(dǎo)致的 Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流中，自由表面上的流體由熱端流向冷端同時(shí)流體在底部由冷端流向熱端形成回流，造成某區(qū)域上層流體的溫度高于下層流體的溫度，流體在此區(qū)域沿 Z軸負(fù)方向流動(dòng)時(shí)為高溫流體（低密度流體）向下流，這與浮升力的方向相反，因而使得重力對(duì)Mar

9、angoni-熱毛細(xì)對(duì)流產(chǎn)生了抑制作用。
　　最后，研究了底部熱流和水平溫差對(duì)浮力-Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的影響，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明：水平溫差和底部熱流在驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)中各自發(fā)揮的作用與其在Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流中的作用類似；水平溫差起主導(dǎo)作用或者水平溫差與底部熱流共同主導(dǎo)時(shí)，重力有效抑制了內(nèi)壁附近的流胞，而對(duì)外壁附近的流胞抑制效果較差；底部熱流起主導(dǎo)作用時(shí)，重力有效抑制了內(nèi)外壁附近的流胞；當(dāng)最高表面溫度脫