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

1、溫度梯度會導致液層表面張力和密度不均勻，從而驅動流體運動。其中由表面張力不均勻所引起的流動被稱為Marangoni或熱毛細對流：當溫度梯度垂直于自由表面時，這種流動被稱為Marangoni對流；當溫度梯度平行于自由界面時，這種流動為熱毛細對流。而由密度不均勻所引起的流動被稱為浮力對流。在重力條件下，Marangoni或熱毛細對流和浮力對流同時出現(xiàn)。在微重力條件下，浮力對流消失，而Marangoni或熱毛細對流依然存在。目前關于這些對流的

2、研究主要針對單向溫差作用下的流動，但是對于水平和垂直溫度梯度同時存在時的 Marangoni-熱毛細對流以及浮力-Marangoni-熱毛細對流的研究還很少。在自然界和實際的工業(yè)生產過程中這種雙向溫度梯度往往同時存在，它們共同驅動流體運動，與單向溫差作用時相比，流動變得復雜且差異顯著。因此，本課題采用數(shù)值模擬和實驗研究相結合、數(shù)值模擬為主的方法研究水平和垂直溫度梯度共存時環(huán)形淺液池內中等普朗特數(shù)流體的 Marangoni-熱毛細對流以及

3、浮力-Marangoni-熱毛細對流，重點探究水平溫差和垂直熱流在驅動流體運動中各自發(fā)揮的作用力，得到了Marangoni-熱毛細對流的基本形態(tài)及不穩(wěn)定性的基本特征，并討論了自由表面換熱對基本形態(tài)和不穩(wěn)定性特征的影響，分析了重力對浮力-Marangoni-熱毛細對流不穩(wěn)定性的作用機制。所得結論從理論上可發(fā)展液層內復雜流動的耗散結構理論、拓展熱毛細對流的研究領域，從工程實踐上可為熔體法單晶生長奠定重要的理論基礎。主要研究內容及結果如下：<

4、br>　　首先，通過數(shù)值模擬研究了雙向溫度梯度作用下環(huán)形淺液池內0.65cSt硅油的Marangoni-熱毛細對流，界定了在驅動流體運動中發(fā)揮主導作用的兩個熱力學勢（水平溫差和底部熱流）在對流中各自發(fā)揮的影響：水平溫差使得表面溫度由內壁向外壁遞增，導致表面流體從外壁流向內壁；底部熱流使得表面溫度由中間區(qū)域向兩壁遞減，導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動流體運動，對流的形態(tài)取決于這兩種力的強度對比。當水平溫差起主導作用時

5、，表面溫度由內壁向外壁遞增；當?shù)撞繜崃髌鹬鲗ё饔脮r，表面溫度由中間區(qū)域向兩壁遞減；當水平溫差和底部熱流作用力都較為顯著時，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，通過研究水平溫差和底部熱流對 Marangoni-熱毛細對流的影響，證明了水平溫差和底部熱流降低了對流的穩(wěn)定性。穩(wěn)態(tài)對流為二維軸對稱流動，即表面溫度無周向波動，對流失穩(wěn)后出現(xiàn)表面溫度周向波動，且不穩(wěn)定性越強，周向波動越大，同時表面溫度徑向波動導

6、致的徑向流動占主導地位，因此提出了用表面溫度徑向波動來表征流動的強弱，而用表面溫度周向波動來表征流動失穩(wěn)程度。并根據(jù)不穩(wěn)定性的強弱，對 Marangoni-熱毛細對流的不穩(wěn)定性特征進行了基本分類：不穩(wěn)定性較弱時，表征對流失穩(wěn)狀態(tài)的表面溫度周向波動主要表現(xiàn)為點狀波；不穩(wěn)定性較強時，底部熱流在驅動流動中起絕對主導作用時為雙熱流體波，水平溫差起主導作用時出現(xiàn)熱流體波，當水平溫差和底部熱流作用力都較為顯著時為波長較短的熱流體波；不穩(wěn)定性過強時出

7、現(xiàn)紊亂波動。其中，點狀波、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)。點狀波隨時間沿徑向正方向擴散，但是在擴散過程中逐漸減弱同時新的波動在內壁處生成然后繼續(xù)沿徑向正方向擴散，以此循環(huán)，在整個變化周期中，點狀波的基本形態(tài)不會發(fā)生變化；熱流體波和雙熱流體波隨時間沿周向旋轉，在整個變化周期中，波動的基本形態(tài)同樣不會發(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)所表征的重力對三種典型的非穩(wěn)態(tài) Marangoni-熱毛

8、細對流的影響，結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-熱毛細對流。并分析了重力抑制 Marangoni-熱毛細對流的物理機制為：在表面張力梯度所導致的 Marangoni-熱毛細對流中，自由表面上的流體由熱端流向冷端同時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軸負方向流動時為高溫流體（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Mar

9、angoni-熱毛細對流產生了抑制作用。
　　最后，研究了底部熱流和水平溫差對浮力-Marangoni-熱毛細對流的影響，數(shù)值模擬與實驗研究的結果表明：水平溫差和底部熱流在驅動流體運動中各自發(fā)揮的作用與其在Marangoni-熱毛細對流中的作用類似；水平溫差起主導作用或者水平溫差與底部熱流共同主導時，重力有效抑制了內壁附近的流胞，而對外壁附近的流胞抑制效果較差；底部熱流起主導作用時，重力有效抑制了內外壁附近的流胞；當最高表面溫度脫