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在空间微重力熔体结晶实验中浮区法被广泛应用,并被视为空间材料制备最有效、最具优势的方法。由于微重力环境下重力加速度几乎为零,自然对流趋于消失,这样浮区的截面积和高度明显增加,因而在空间微重力下可用浮区法生长大尺寸单晶体。微重力环境下由于浮力的极度衰减,由不平衡表面张力引起的表面张力流成为浮区法晶体生长中的主要对流方式。因此,微重力条件下浮区内力场的平衡,浮区流场、温度场和浓度场的分布,晶体生长的对流和扩散过程以及相变面稳定性等理论性问题已成为科学研究的重要课题。 本文中,利用交错网格作为基础,在其上求解N-S方程及与其耦合的能量方程,并且Level Set方法追踪两相界面。同时,以半浮区(Half-floatingzone)液桥模型为研究对象,采用数值模拟的方法对液桥内低Pr数金属锡熔体的热毛细对流特性及外加轴向、横向均匀磁场对热毛细对流的控制进行了研究。 本文的工作主要涉及以下几个方面: 1.轴向均匀磁场条件下,液桥内低Pr数金属锡熔体热毛细对流的流场、温度场特性研究; 2.轴向均匀磁场对液桥内低Pr数金属锡熔体热毛细对流的影响及控制性研究; 3.横向均匀磁场条件下,液桥内低Pr数金属锡熔体热毛细对流的流场、温度场特性研究; 4.横向均匀磁场对液桥内低Pr数金属锡熔体热毛细对流的影响及控制性研究。 通过数值计算得到的相应的结论如下: 1.在轴向均匀磁场下,液桥内部的热毛细对流得到了抑制,但当磁场强度增加到0.55T时,流动出现了不稳定性; 2.在液桥的热端,自由表面的变形向外,随着时间的发展液桥自由面的变形幅度逐渐增大,在液桥冷端则正好相反。在稳定状态下热角附近液桥表面的轴向速度、径向速度及表面变形都随时间的变化围绕某一个值呈周期性的波动,它们波动的频率都基本相同; 3.温差对液桥表面速度变化有较大影响(尤其是轴向速度)。对于轴向速度和表面变形而言在纵横比为1.0时轴向均匀磁场对液桥热毛细对流的抑制达到最好的程度,而不同的纵横比对径向速度几乎没有影响; 4.横向均匀磁场对液桥内熔体热毛细对流的作用效果与轴向磁场的相一致,但是在磁场强度较小时,横向均匀磁场的抑制效果更加的明显。