考虑动态自由表面变形的热--溶质毛细对流研究

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本文建立了液桥的几何模型,以连续性方程、Navier-Stokes方程、能量方程、浓度扩散方程和Levelset函数为控制方程研究了自由界面可动的液桥内部的流动以及温度、浓度分布情况。计算过程采用了交错网格,利用投影法求解Navier-Stokes方程,保证了连续性方程的成立,能量方程和浓度输运方程的对流项采用Quick格式,扩散项则采用中心差分格式,而在Levelset函数中,对流项采用了二阶ENO格式。为了保证Levelset函数在计算过程中始终是距离函数,引入了重新初始化函数。同样的,为了避免液桥介质在计算中的耗散,在总程序中插入了面积守恒的子程序。除此之外,为了抑制由界面两侧物理属性突变引起的不稳定,在距离自由表面一个网格单位的厚度上引入了亥维赛函数进行光滑性处理。
  本文的研究特点在于自由表面的动态变形以及施加在液桥两端的温差和浓度差的不同时性。在对计算程序进行有效性验证的基础上,本文重点讨论了以下问题:(1)无重力场中纯热毛细对流、纯溶质毛细对流、耦合的热-溶质毛细对流的界面变形;(2)热毛细对流和溶质毛细对流主导流场的先后顺序对最终流场的影响;(3)温差和浓度差引起的振荡流的对比。根据本论文选定的研究参数,得到的结果表明:(1)纯热毛细对流的自由表面变形表现为关于界面中心点呈中心对称,而纯溶质毛细对流的自由表面变形复杂而无规律;(2)对于相同温差和浓度差下的热-溶质毛细对流,热毛细对流首先主导流场和溶质毛细对流首先主导流场在最终稳态的流场上有一定程度的不同,譬如自由表面的变形以及速度分布等;(3)在振荡的热-溶质毛细对流中,由温差诱导的振荡形状表现为正弦曲线,而由浓度差诱导的振荡形状表现为纺锤形,而且,浓度差的变化更容易引起振荡的无规律变化;(4)相对于自由表面上的速度和距离值,浓度值的振荡出现比较滞后且振荡形式无规律,而温度值未监测到振荡。
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