正交分解法在熱對(duì)流系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用研究.pdf

1、本文研究了正交分解法在熱對(duì)流系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用。 正交分解法借助于實(shí)驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可以把一個(gè)振蕩流場(chǎng)分解為一組線性權(quán)重組合的正交函數(shù)基(主要模式)的遞加，每一個(gè)函數(shù)基都包含了流場(chǎng)各個(gè)點(diǎn)的信息，并且可以定量地給出各個(gè)函數(shù)基對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的貢獻(xiàn)比重。為此，嘗試?yán)谜环纸夥▉?lái)分析各不穩(wěn)定性因素對(duì)流場(chǎng)不穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)比重情況。 Czochralski(CZ)法是從熔體中生長(zhǎng)單晶體的重要方法之一。在單晶的生長(zhǎng)過(guò)程中，熔體的流動(dòng)

2、狀態(tài)是影響單晶質(zhì)量的主要因素之一。復(fù)雜的熔體流動(dòng)，主要是由浮力不穩(wěn)定性、毛細(xì)力引起的表面張力不穩(wěn)定性以及由旋轉(zhuǎn)引起的離心力不穩(wěn)定性等引起的。為了更好的控制熔體的熱對(duì)流，需要對(duì)熱對(duì)流系統(tǒng)中各個(gè)不穩(wěn)定性因素進(jìn)行分析探討。為此，以CZ法晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)中坩堝內(nèi)熔體為研究對(duì)象，在軸對(duì)稱(chēng)情況下，僅考慮浮力、表面張力、和晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)，建立物理數(shù)學(xué)模型。采用有限體積法和HSMAC算法，編寫(xiě)計(jì)算程序，對(duì)生長(zhǎng)爐子內(nèi)的熔液熱對(duì)流進(jìn)行了大量的模擬計(jì)算。 利

3、用數(shù)值模擬的流場(chǎng)結(jié)果，定性地判斷出浮力和表面張力各自對(duì)熱對(duì)流場(chǎng)起主要作用以及作用相當(dāng)?shù)膮^(qū)域；然后在數(shù)值模擬流場(chǎng)結(jié)果的基礎(chǔ)上，借助于正交分解法，抽取出流場(chǎng)的主要基本模式，獲取了浮力不穩(wěn)定性和表面張力不穩(wěn)定性所對(duì)應(yīng)主要模式各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如，浮力不穩(wěn)定性表現(xiàn)為整體和旋轉(zhuǎn)性，表面張力不穩(wěn)定性表現(xiàn)為局部和移動(dòng)性。通過(guò)對(duì)主要基本模式的分析比較，定性地探討了浮力和表面張力在不同組合時(shí)，對(duì)熔液熱對(duì)流不穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)比重情況。最后探討了主要基本模式和流場(chǎng)

4、穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)，從而在理論上解釋了流場(chǎng)主要模式可以用于分析流場(chǎng)不穩(wěn)定性的原因。通過(guò)以上的分析，表明正交分解法可用于分析熱對(duì)流不穩(wěn)定性。 最后，又在兩個(gè)方面作了擴(kuò)展嘗試：第一、考慮晶體旋轉(zhuǎn)，主要分析晶轉(zhuǎn)為30轉(zhuǎn)/min時(shí)，晶轉(zhuǎn)對(duì)浮力和表面張力不穩(wěn)定性的影響。得到了，在浮力較小時(shí)，晶體旋轉(zhuǎn)對(duì)表面張力起強(qiáng)化作用；在浮力較大時(shí)，對(duì)表面張力起抑制作用；第二、在定性探討的基礎(chǔ)上，利用流場(chǎng)波動(dòng)動(dòng)能，初步構(gòu)建了一種定量分析浮力和表面張力對(duì)熔液熱對(duì)