高Prandtl數(shù)流體熱毛細(xì)對(duì)流數(shù)值研究.pdf

1、由于表面張力變化而引起的沿液體自由面的對(duì)流運(yùn)動(dòng)我們稱之為Marangoni對(duì)流。盡管這種變化可以由多種原因?qū)е?，但是這里我們主要關(guān)心溫度引起的部分，亦稱之為熱毛細(xì)對(duì)流。在地面實(shí)驗(yàn)中熱毛細(xì)對(duì)流往往被浮力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流所掩蓋。空間實(shí)驗(yàn)的一個(gè)主要應(yīng)用就是開(kāi)發(fā)新的材料生產(chǎn)過(guò)程，因?yàn)樵诳臻g環(huán)境中重力被極大地削弱，亦即浮力作用被極大削弱，這時(shí)Marangoni對(duì)流開(kāi)始變得重要。例如在熔區(qū)生長(zhǎng)晶體過(guò)程中，Marangoni對(duì)流起著至關(guān)重要的作用。微重力環(huán)

2、境下浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)過(guò)程被認(rèn)為是制備高質(zhì)量晶體的主要方法，因而浮區(qū)Marangoni對(duì)流越來(lái)越成為人們研究的重要課題之一。
　　液橋內(nèi)Marangoni對(duì)流的一個(gè)主要特征就是從穩(wěn)定流到振蕩流的轉(zhuǎn)變。因?yàn)檎袷幜鲗?duì)晶體生長(zhǎng)有著重要的影響，所以有必要對(duì)這種轉(zhuǎn)變機(jī)理進(jìn)行研究。對(duì)于低Prandtl數(shù)流體的流動(dòng)及振蕩機(jī)理目前人們已經(jīng)了解的很透徹，但是高Prandtl數(shù)范圍內(nèi)的流體，盡管對(duì)于顫動(dòng)力、升溫速率以及常溫差對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響人們已經(jīng)進(jìn)行了

3、大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，但是這些研究幾乎沒(méi)有人將液橋自由面的動(dòng)力學(xué)行為及周圍氣相的作用加以考慮，所以至今其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性仍存在較大的爭(zhēng)議。
　　本文中，我們研究了殘余重力、微重力及橫向顫動(dòng)條件下，液橋內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)、溫度場(chǎng)及振蕩形態(tài)。同時(shí)，我們的研究不僅考慮了自由表面的變形而且也考慮了液橋周圍氣相的影響。我們?cè)诮诲e(cuò)網(wǎng)格上求解N-S方程及與其耦合的能量方程，采用質(zhì)量守恒的Level Set方法追蹤兩相界面，這種方法允許我們進(jìn)行大密度比及粘

4、度比的研究。
　　當(dāng)前工作，主要涉及以下三個(gè)部分:
　　1.零重力環(huán)境下高Prandtl流體熱毛細(xì)對(duì)流的數(shù)值研究;
　　2.不同橫向顫動(dòng)水平及減重水平對(duì)液橋內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)、溫度分布及自由面形變影響的研究;
　　3.對(duì)熱毛細(xì)振蕩流的初步研究。
　　通過(guò)數(shù)值計(jì)算，相應(yīng)得出以下結(jié)論:
　　1.初始時(shí)，由于熱毛細(xì)對(duì)流作用液橋內(nèi)形成一對(duì)胞元;液橋內(nèi)回流作用使徑向的對(duì)流作用加強(qiáng)，從而使自由面附近的溫度分布更加均勻;<