環(huán)形雙層液池內(nèi)熱毛細(xì)對(duì)流的線性穩(wěn)定性分析.pdf

1、熱毛細(xì)對(duì)流的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律的研究,是近年來(lái)正在興起的工程熱物理學(xué)科的一個(gè)新領(lǐng)域。晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的流動(dòng)穩(wěn)定性對(duì)晶體制備質(zhì)量將帶來(lái)直接的影響,液封Czochralski生長(zhǎng)技術(shù)可以有效抑制熔體內(nèi)部熱毛細(xì)對(duì)流、改善晶體生長(zhǎng)品質(zhì)。目前,對(duì)于從液封Czochralski晶體生長(zhǎng)技術(shù)中抽取出來(lái)的環(huán)形雙液層內(nèi)熱對(duì)流過(guò)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(duì)流過(guò)程的基本特征、流動(dòng)失穩(wěn)臨界條件、物性參數(shù)與幾何參數(shù)對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響、以及流動(dòng)失

2、穩(wěn)之后的流動(dòng)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(duì)流過(guò)程為研究對(duì)象,首次采用線性穩(wěn)定性方法分析了熱對(duì)流過(guò)程的穩(wěn)定性,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè),獲得了一系列對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有指導(dǎo)意義的邊際穩(wěn)定性曲線、以及臨界Marangoni數(shù)、臨界波數(shù)和臨界相速度隨液池深寬比、內(nèi)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(dòng)型態(tài),比較了上部分別為固壁和自由表面時(shí)、微重力條件與常重力條件下結(jié)果的差異,探討了流動(dòng)失穩(wěn)的物理機(jī)制

3、。結(jié)果表明:①上部為固壁時(shí),微重力條件下,當(dāng)下液層厚度與總液層厚度之比≈0.375時(shí)存在一個(gè)最小臨界Marangoni數(shù),此時(shí),流動(dòng)最易失穩(wěn),之后,隨著液層厚度比的增大或減小,臨界Marangoni數(shù)都會(huì)逐漸增大;常重力條件下,在≈0.75時(shí)臨界Marangoni數(shù)最大,流動(dòng)最為穩(wěn)定。②上部為自由表面時(shí),微重力條件下,流動(dòng)失穩(wěn)的最大臨界Marangoni數(shù)位于≈0.5-0.833區(qū)間,且隨深寬比的增大,最大臨界Marangoni數(shù)所對(duì)應(yīng)

4、的值逐漸減小;重力條件下,最大臨界Marangoni數(shù)位于≈0.625-0.833區(qū)間,變化規(guī)律與微重力條件時(shí)相近。③流動(dòng)失穩(wěn)的臨界Marangoni數(shù)隨深寬比和半徑比的增大而減小。④流動(dòng)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(jì)算范圍內(nèi)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(dòng)。⑤上部表面特征和重力對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性影響很大。上部為固壁時(shí)會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng),在微重力條件下,其臨界Marangoni數(shù)比上部為自由表面時(shí)的