作为单晶体生产工业中广泛采用的Czochralski法,坩埚内的熔体由于同时受到自由表面温度梯度所引起的热毛细力、地面环境下的浮力以及系统旋转所施加的惯性力作用,熔体内的流动结构及流动稳定性十分复杂。从工业生产的角度,为了提高晶体质量,有必要对坩埚内熔体的复杂流动进行深入研究,确定流动失稳的参数空间,分析流动失稳的机理。从理论的角度,晶体生长过程中多种力耦合驱动的热对流属于多参数的流动不稳定性问题,对这种复杂对流的研究不仅有助于拓展流动稳定性的研究领域,同时可以促进包括分叉理论以及耗散结构理论等非平衡热动力学问题的发展。为此,本文以旋转环形液池内的复杂热毛细对流为研究对象,采用了线性稳定性分析、数值模拟结合实验观测的方法系统性地研究了热毛细对流的不稳定性及其失稳机理。本文首先对旋转环形池内单层流体的热毛细对流进行了线性稳定性分析,考虑到不同普朗特数(Pr)流体失稳的机理不同,分别对大、中、小三种Pr数流体进行了研究。研究发现,对于微重力条件下中等Pr数和大Pr数流体,其失稳机理主要为自由表面上热毛细效应引起的扰动流通过不同途径从液层内部的温度场中吸收扰动热能,形成内部的温度扰动,从而促使流动失稳。而液池旋转所引入的科氏力主要通过改变基本流的流场和温度场结构而使各扰动获取能量的方式发生变化,最终在不同的转速范围内出现多种不稳定振荡流。而对于小Pr数流体,扰动流通过离心力不稳定性机理以及不同的惯性效应从基本速度场中获得扰动动能而使流动失稳,此时自由表面上的热毛细力仅仅驱动流体形成基本流动,而不再为自由表面的扰动速度提供扰动动能。和旋转相关的惯性力效应仅在转速较大时才对流动失稳起重要作用。重力条件对热毛细对流的稳定性有两方面的影响,首先,浮力效应强化了热毛细对流,并使基本流动的形态发生改变,扰动通过与基本场相互作用获取扰动能的形式随之改变;此外,流体内部的扰动温度也能通过浮力效应引起额外的扰动速度,从而改变了扰动速度场的分布。这两方面的影响使得重力条件下热毛细对流失稳为更加复杂的不稳定流动。对于静止液池内的中等Pr数和大Pr数流体,轴对称的基本流动均失稳为三维稳定流动,但两者的失稳机理有所区别。前者的扰动速度主要由液层内的惯性效应产生,而后者则主要由自由表面上的热毛细效应引起。但扰动流最终均通过与热端附近的“冷热指区域”内流体的相互作用而在液层内产生一对冷热相反的温度扰动,并在基本场的对流作用下使流动失稳。当液池旋转时,流动失稳为振荡流动,其机理主要为大Pr数流体的热流体波不稳定性机理。对于小Pr数流体,由于其较大的热扩散率,浮力效应仅仅略微强化了基本场的流动,而对扰动流没有明显影响,此时流动失稳的特征与微重力条件下的基本一致。由于浮力对基本流动的强化使得扰动流更易从基本场获得扰动动能,这导致流动的稳定性略微降低。对于旋转环形液池内双层流体的热毛细对流,通过数值模拟发现,在毛细雷诺数(Re)较小时,液层内的流动为稳定流动,上层流体内出现了由表面张力梯度和液-液界面张力梯度共同驱动的一对反向旋转的流胞。液池的旋转引起周向方向的流动,并且旋转对下层流体底部的径向流动起到明显的抑制作用。当Re较大时,上下两层流体的稳定流动同时失稳为三维振荡流动。且随着转速的增大流动稳定性先减弱后增强。流动失稳的机理主要为上层流体内竖直方向的扰动流通过与抛物线形的等温线相互作用,从而在上层形成两组冷热扰动相反的内部温度扰动,它们通过对自由表面和界面的导热作用促使流动失稳。对旋转液池内热毛细对流的实验研究发现,当单层流体厚度较小时,流动失稳为条纹状的热流体波结构,其临界Re数随转速增大而略有减小。而对于流体厚度较大的单层流体,流动则失稳为由外壁附近的直条纹和锥形波纹组合而成的稳定波纹。液池旋转时,波纹被拉伸,但波纹始终维持稳定状态,旋转能提高其稳定性。对于双层流体,波纹主要产生于上层流体内,但下层流体厚度增加时流动稳定性降低。静止液池内的流动失稳为两相向传播的热流体波结构,而在旋转液池内,当Re数略大于临界Re数时,液池内仅出现一组传播方向与液池旋转方向相反的热流体波结构;Re数增大时,出现另一组传播方向与液池旋转方向相同的波纹,两波纹相互交叉叠加引起波纹变形。双层流体内流动失稳的临界Re数随转速的增大而逐渐减小。