液封液桥内振荡热毛细对流的三维数值模拟

来源 :重庆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaosongshu2009
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浮区法是晶体材料制备中广泛应用的一种方法,基于浮区法的液桥模型是一种研究热毛细对流的理论模型,该模型不涉及液一固界面处的相变过程。在微重力条件下,表面张力梯度引起的热毛细对流成为影响材料品质的主要因素,因而成为重要的研究课题。为削弱热毛细对流,近年来发展起来的液封技术,在抑制热毛细对流方面颇具魅力。为了了解微重力下液封液桥内热毛细对流的基本特性,本文建立了不相溶混的两层流体热毛细对流的物理数学模型,利用有限容积法进行了非稳态三维数值模拟,得到了液封液桥内的温度场和速度场的分布,分析了Marangoni数、液封液桥直径和高度等对热毛细对流的影响,证实了液封技术能够有效削弱熔体主流区的热毛细对流,从而提高晶体生长质量。 模拟结果表明,对于液封液桥内的热毛细对流过程而言,当Marangoni数较小时,流动为稳定的轴对称流动;当Marangoni数超过某一临界值后,流动将转化为三维的振荡流动。为此,确定了流动转化时的临界Marangoni数,结果发现,模拟计算的临界Marangoni数比重力条件下的实验结果偏高,说明浮力会加快流型的转变。 当三维振荡热毛细流发生时,在液封内流动的振荡幅度很大,而在液桥内流动变弱,即液封能有效地抑制液桥内的热毛细对流。随着液封厚度的减薄,液封层抑制液桥内热毛细流动的能力增强,液桥层内热毛细流动变弱;周向温度振荡波数与液桥直径和Marangoni数有关,随着液桥内径增加,温度振荡波数增多;当Marangoni数增大时,流动加强,振荡频率增大;当液封直径增大时液封内流动区域扩展,相同条件下,在靠近自由界面的低温端区域流速变化趋势减缓,因此,振荡流动频率减小。
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