環(huán)形雙層液池內熱毛細對流的線性穩(wěn)定性分析.pdf

1、熱毛細對流的熱力學和動力學規(guī)律的研究,是近年來正在興起的工程熱物理學科的一個新領域。晶體生長過程中的流動穩(wěn)定性對晶體制備質量將帶來直接的影響,液封Czochralski生長技術可以有效抑制熔體內部熱毛細對流、改善晶體生長品質。目前,對于從液封Czochralski晶體生長技術中抽取出來的環(huán)形雙液層內熱對流過程理論模型的研究非常缺乏,包括環(huán)形雙液層系統(tǒng)熱對流過程的基本特征、流動失穩(wěn)臨界條件、物性參數與幾何參數對流動穩(wěn)定性的影響、以及流動失

2、穩(wěn)之后的流動型態(tài)等。本文以水平溫度梯度作用下的環(huán)形雙液層系統(tǒng)中的熱對流過程為研究對象,首次采用線性穩(wěn)定性方法分析了熱對流過程的穩(wěn)定性,并結合實驗觀測,獲得了一系列對實際工程應用有指導意義的邊際穩(wěn)定性曲線、以及臨界Marangoni數、臨界波數和臨界相速度隨液池深寬比、內外半徑比和液層深度比等的變化規(guī)律,得到了臨界值附近的液-液界面溫度波動型態(tài),比較了上部分別為固壁和自由表面時、微重力條件與常重力條件下結果的差異,探討了流動失穩(wěn)的物理機制

3、。結果表明:①上部為固壁時,微重力條件下,當下液層厚度與總液層厚度之比≈0.375時存在一個最小臨界Marangoni數,此時,流動最易失穩(wěn),之后,隨著液層厚度比的增大或減小,臨界Marangoni數都會逐漸增大;常重力條件下,在≈0.75時臨界Marangoni數最大,流動最為穩(wěn)定。②上部為自由表面時,微重力條件下,流動失穩(wěn)的最大臨界Marangoni數位于≈0.5-0.833區(qū)間,且隨深寬比的增大,最大臨界Marangoni數所對應

4、的值逐漸減小;重力條件下,最大臨界Marangoni數位于≈0.625-0.833區(qū)間,變化規(guī)律與微重力條件時相近。③流動失穩(wěn)的臨界Marangoni數隨深寬比和半徑比的增大而減小。④流動失穩(wěn)后的型態(tài)及存在區(qū)域主要取決于液層厚度,在計算范圍內有三種型態(tài),即第一類熱流體波、第二類熱流體波和三維穩(wěn)態(tài)流動。⑤上部表面特征和重力對流動穩(wěn)定性影響很大。上部為固壁時會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強,在微重力條件下,其臨界Marangoni數比上部為自由表面時的