【摘要】：溫度梯度會(huì)導(dǎo)致液層表面張力和密度不均勻,從而驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)。其中由表面張力不均勻所引起的流動(dòng)被稱為Marangoni或熱毛細(xì)對(duì)流:當(dāng)溫度梯度垂直于自由表面時(shí),這種流動(dòng)被稱為Marangoni對(duì)流;當(dāng)溫度梯度平行于自由界面時(shí),這種流動(dòng)為熱毛細(xì)對(duì)流。而由密度不均勻所引起的流動(dòng)被稱為浮力對(duì)流。在重力條件下,Marangoni或熱毛細(xì)對(duì)流和浮力對(duì)流同時(shí)出現(xiàn)。在微重力條件下,浮力對(duì)流消失,而Marangoni或熱毛細(xì)對(duì)流依然存在。目前關(guān)于這些對(duì)流的研究主要針對(duì)單向溫差作用下的流動(dòng),但是對(duì)于水平和垂直溫度梯度同時(shí)存在時(shí)的Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流以及浮力-Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的研究還很少。在自然界和實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中這種雙向溫度梯度往往同時(shí)存在,它們共同驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng),與單向溫差作用時(shí)相比,流動(dòng)變得復(fù)雜且差異顯著。因此,本課題采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)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(shí)環(huán)形淺液池內(nèi)中等普朗特?cái)?shù)流體的Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流以及浮力-Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流,重點(diǎn)探究水平溫差和垂直熱流在驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)中各自發(fā)揮的作用力,得到了Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)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(duì)基本形態(tài)和不穩(wěn)定性特征的影響,分析了重力對(duì)浮力-Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流不穩(wěn)定性的作用機(jī)制。所得結(jié)論從理論上可發(fā)展液層內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)的耗散結(jié)構(gòu)理論、拓展熱毛細(xì)對(duì)流的研究領(lǐng)域,從工程實(shí)踐上可為熔體法單晶生長(zhǎng)奠定重要的理論基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:首先,通過(guò)數(shù)值模擬研究了雙向溫度梯度作用下環(huán)形淺液池內(nèi)0.65cSt硅油的Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流,界定了在驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮主導(dǎo)作用的兩個(gè)熱力學(xué)勢(shì)(水平溫差和底部熱流)在對(duì)流中各自發(fā)揮的影響:水平溫差使得表面溫度由內(nèi)壁向外壁遞增,導(dǎo)致表面流體從外壁流向內(nèi)壁;底部熱流使得表面溫度由中間區(qū)域向兩壁遞減,導(dǎo)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(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng),對(duì)流的形態(tài)取決于這兩種力的強(qiáng)度對(duì)比。當(dāng)水平溫差起主導(dǎo)作用時(shí),表面溫度由內(nèi)壁向外壁遞增;當(dāng)?shù)撞繜崃髌鹬鲗?dǎo)作用時(shí),表面溫度由中間區(qū)域向兩壁遞減;當(dāng)水平溫差和底部熱流作用力都較為顯著時(shí),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(guò)研究水平溫差和底部熱流對(duì)Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的影響,證明了水平溫差和底部熱流降低了對(duì)流的穩(wěn)定性。穩(wěn)態(tài)對(duì)流為二維軸對(duì)稱流動(dòng),即表面溫度無(wú)周向波動(dòng),對(duì)流失穩(wěn)后出現(xiàn)表面溫度周向波動(dòng),且不穩(wěn)定性越強(qiáng),周向波動(dòng)越大,同時(shí)表面溫度徑向波動(dòng)導(dǎo)致的徑向流動(dòng)占主導(dǎo)地位,因此提出了用表面溫度徑向波動(dòng)來(lái)表征流動(dòng)的強(qiáng)弱,而用表面溫度周向波動(dòng)來(lái)表征流動(dòng)失穩(wěn)程度。并根據(jù)不穩(wěn)定性的強(qiáng)弱,對(duì)Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的不穩(wěn)定性特征進(jìn)行了基本分類:不穩(wěn)定性較弱時(shí),表征對(duì)流失穩(wěn)狀態(tài)的表面溫度周向波動(dòng)主要表現(xiàn)為點(diǎn)狀波;不穩(wěn)定性較強(qiáng)時(shí),底部熱流在驅(qū)動(dòng)流動(dòng)中起絕對(duì)主導(dǎo)作用時(shí)為雙熱流體波,水平溫差起主導(dǎo)作用時(shí)出現(xiàn)熱流體波,當(dāng)水平溫差和底部熱流作用力都較為顯著時(shí)為波長(zhǎng)較短的熱流體波;不穩(wěn)定性過(guò)強(qiáng)時(shí)出現(xiàn)紊亂波動(dòng)。其中,點(diǎn)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(diǎn)狀波隨時(shí)間沿徑向正方向擴(kuò)散,但是在擴(kuò)散過(guò)程中逐漸減弱同時(shí)新的波動(dòng)在內(nèi)壁處生成然后繼續(xù)沿徑向正方向擴(kuò)散,以此循環(huán),在整個(gè)變化周期中,點(diǎn)狀波的基本形態(tài)不會(huì)發(fā)生變化;熱流體波和雙熱流體波隨時(shí)間沿周向旋轉(zhuǎn),在整個(gè)變化周期中,波動(dòng)的基本形態(tài)同樣不會(huì)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(duì)三種典型的非穩(wěn)態(tài)Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的影響,結(jié)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(xì)對(duì)流。并分析了重力抑制Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的物理機(jī)制為:在表面張力梯度所導(dǎo)致的Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流中,自由表面上的流體由熱端流向冷端同時(shí)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(fù)方向流動(dòng)時(shí)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(duì)Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流產(chǎn)生了抑制作用。最后,研究了底部熱流和水平溫差對(duì)浮力-Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流的影響,數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明:水平溫差和底部熱流在驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)中各自發(fā)揮的作用與其在Marangoni-熱毛細(xì)對(duì)流中的作用類似;水平溫差起主導(dǎo)作用或者水平溫差與底部熱流共同主導(dǎo)時(shí),重力有效抑制了內(nèi)壁附近的流胞,而對(duì)外壁附近的流胞抑制效果較差;底部熱流起主導(dǎo)作用時(shí),重力有效抑制了內(nèi)外壁附近的流胞;當(dāng)最高表面溫度脫離外壁處后,表面溫度周向波動(dòng)主要集中在最高表面溫度附近,隨著底部熱流的增強(qiáng),最高表面溫度向中間區(qū)域移動(dòng),表面溫度周向波動(dòng)也相應(yīng)地向中間區(qū)域移動(dòng);而當(dāng)自由表面溫度沿徑向正方向遞增時(shí),表面溫度周向波動(dòng)隨非平衡熱力學(xué)力的變化則較為復(fù)雜。
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【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK124

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張全壯;環(huán)形液池內(nèi)雙向溫度梯度作用下硅熔體復(fù)雜對(duì)流流動(dòng)特性的研究[D];重慶大學(xué);2016年

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本文編號(hào)：2415804