環(huán)形雙組分液池內(nèi)耦合熱-溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流轉(zhuǎn)變過(guò)程二維數(shù)值模擬.pdf

1、對(duì)于雙組分混合液體而言，通常其表面張力是溫度和濃度的函數(shù)，當(dāng)自由界面上的溫度和濃度不均勻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生表面張力的不均勻，從而驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)稱(chēng)為熱-溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流。耦合熱-溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流過(guò)程廣泛存在于晶體的生長(zhǎng)、半導(dǎo)體的制備、合金的凝固和混合工質(zhì)的相變傳熱等工程技術(shù)領(lǐng)域。
　　 為了了解環(huán)形液池內(nèi)耦合熱-溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流的轉(zhuǎn)變特征，本文建立了環(huán)形液池內(nèi)耦合熱-溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流的物理數(shù)學(xué)模型，采用有限容積法進(jìn)行了二維數(shù)值模擬。假定液池底部和

2、自由表面絕熱，自由界面無(wú)變形，內(nèi)、外壁分別維持恒定的溫度和濃度，忽略Soret效應(yīng)和Dufour效應(yīng)的影響，且熱毛細(xì)力和溶質(zhì)毛細(xì)力大小相等、方向相反。通過(guò)數(shù)值模擬得到了環(huán)形液池內(nèi)耦合熱-溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流失穩(wěn)的臨界條件，并對(duì)耦合熱-溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了分析。
　　 結(jié)果表明：(1)當(dāng)毛細(xì)Reynolds(Re)數(shù)較小時(shí)，熱-溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流處于穩(wěn)定狀態(tài)，半徑比、深寬比和普朗特?cái)?shù)的增大會(huì)使流動(dòng)增強(qiáng)。(2)當(dāng)Re數(shù)超過(guò)某一臨界值時(shí)，穩(wěn)態(tài)

3、的熱-溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)流動(dòng)，不同Re數(shù)下徑向速度的振幅滿(mǎn)足關(guān)系式：A2=0.0015·(Re-Recri)，其中Recri為臨界雷諾數(shù)，說(shuō)明環(huán)形液池內(nèi)流態(tài)從穩(wěn)態(tài)到非穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)榛羝辗蚍植怼?3)隨著深寬比、半徑比和普朗特?cái)?shù)的增加，流動(dòng)更容易失穩(wěn)。(4)當(dāng)劉易斯數(shù)大于1時(shí)，臨界毛細(xì)雷諾數(shù)隨著劉易斯數(shù)的增大而減?。欢?dāng)劉易斯數(shù)小于1時(shí)，臨界毛細(xì)雷諾數(shù)隨著劉易斯數(shù)的增大而增大。(5)熱-溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流的失穩(wěn)機(jī)理為：當(dāng)劉易斯數(shù)大于1時(shí)，