在国防、通讯和航天领域,高质量的半导体元件是组成控制系统不可或缺的重要载体。浮区生长法则是生产这种半导体材料的主要方法。随着人们对太空环境的不断探索,科研人员在地球上难以获得或无法获得的深空环境中发现热毛细对流是浮区法生长硅单晶中产生微米量级杂质条纹的主要成因。因此,准确研究浮区法生长晶体过程中热毛细对流流动现象及抑制手段对于提高晶体质量至关重要。深空环境下研究外加磁场、颤动、表面敷层及剪切气流对热毛细对流的影响,以及揭示热毛细对流的振荡机理已然成为微重力流体力学领域的前沿课题。本文对半浮区液桥热毛细对流的数值及实验研究正是在以上的工程实践和理论研究背景下建立起来的。但是,在以往的数值研究当中大多采用简化模型没有考虑液桥自由面的同步动态变形。自由界面被假定为不可变形的直线(柱面)或者由Young-Laplace方程确定的不可变形的曲线(曲面)。以上做法势必会影响研究结果的准确性,难以反映液桥内部流动和界面响应变形之间的耦合流动特性。针对以上问题,本文创新性地应用面积补偿法克服Level Set方法中质量不守恒问题,并采用改进的Level Set方法实现对两相自由界面任意微小形变的追踪。本文从以下几个方面开展研究:1.针对微重力环境下的液桥浮力-热毛细对流系统,提出了浮力对流-热毛细对流流动竞争模型。研究发现浮力-热毛细对流流动过程呈现出三种流动阶段。浮力对流主宰的流动阶段:界面呈现倒转的“S”形,浮力对流外围夹带流逐渐萎缩;热毛细对流与浮力对流势力均衡的过渡阶段:自由界面形状由“2”形转变为扭曲的“M”形;热毛细对流主导的流动阶段:热毛细胞元流侵占并吞噬浮力胞元流。自由界面由扭曲的“M”形转变为“S”形。结果表明每种流动状态转变过程中都伴随有自由界面的扰动。这一发现丰富了界面不稳定性理论,并为浮力-热毛细对流液桥界面振荡机理提供了必要的理论依据。2.针对热毛细对流振荡机理及转涙过程尚不明确的问题,本文建立了振荡热毛细对流液桥数学模型,并从一个崭新的角度提出了热毛细对流振荡机理。结果表明振荡热毛细对流阶段左右胞元流周期性相互侵占。胞元流涡心轨迹呈现阶跃性变化。两涡心的运动呈现出非对称性横向和纵向上的往复游走。角区内温度最先开始振荡。提出了热毛细对流的振荡本质源于温度、速度和界面三种振荡机制的耦合作用,热毛细对流的振荡发起于角区。基于中高点处速度和界面的振荡形式,研究发现了两类中高点振荡形态:稳定振荡形态(包括:低频振荡形态和高频振荡形态),大振幅高频脉动振荡形态。3.针对外加水平颤动对热毛细对流与界面流的抑制作用,建立了带有水平颤动的液桥数学模型。研究发现施加水平颤动时胞元流涡心分别在纵向与横向上围绕某一平衡位置做周期性振荡。初始阶段涡心的振幅比稳定阶段涡心的振幅要大。在液桥中间高附近,自由界面响应振幅最大。施加水平颤动会导致液桥内部胞元流晃动,促使液桥中轴线附近回流发生跨越中心轴线的周期性交换流。同时,涡心向中心及冷盘的移动加剧了径向对流。研究提出了水平颤动有利于降低热角处流动的活跃性,并抑制表面流。施加水平颤动会造成三维等温液桥内部产生横向涡旋结构。水平颤动加速度的方向可以改变横向涡流旋转方向,进而影响表面流的流动速度。4.针对均匀磁场对硅油基磁流体热毛细对流的抑制作用,建立了带有匀强磁场的液桥数学模型。横向磁场在液桥内部产生的纵向阻力直接抑制磁流体的纵向速度。横向磁场并没有实现对热毛细对流的根本抑制,而是将热毛细对流的影响从内部转移至近自由面附近。轴向磁场在液桥内部产生的径向阻力能够直接抑制磁流体的横向速度,阻碍体积回流向表面流补充的径向通道。研究发现在液桥内部形成流动停滞区域。轴向匀强磁场通过抑制热毛细对流减弱桥内的对流热传递,促使热量传递方式转变为热传导方式。5.针对剪切气流对液桥界面流流动特性及内部流动结构的影响,建立了带有剪切气流的液桥数学模型。研究发现:(1)等温液桥中胞元流的形成是由于剪切气流的引入。胞元流结构较小,紧紧靠近自由界面。胞元流的流动方向取决于剪切气流的方向。气流速度的增加一方面改变胞元流涡心位置,另一方面改变液桥自由界面形状。向下的剪切气流冲压“S”形自由界面外凸部分,造成外凸部分轮廓凹陷并且不断向气侧延展增加了液桥断裂的可能性。向上的剪切气流托举“S”形自由界面外凸部分,界面向气侧延展。自由界面的形状演变成“M”形。(2)在非等温液桥中由于受到热毛细力和剪切力的协同与对抗作用,流动状况相对复杂。从液桥的顶端引入气流时,胞元流受热毛细对流主宰位于热角近自由界面处,但随着剪切气流速度的提高,强制气流加速表面流。最后,在靠近液桥底端处出现反向胞元流。液桥自由界面仍然呈现“S”形。从液桥的底端引入气流时,在自由界面附近剪切力与热毛细对流方向相反。自由界面最终形状的确定受热毛细力与气流剪切力竞争结果的影响。起初自由界面呈现“S”形,而后向“M”形逐渐演变。6.针对剪切气流对自由界面变形的作用规律,自主设计并搭建了液桥实验台。实验台能够满足各类液桥实验(包括:带有剪切气流的等温,非等温液桥实验)。开发了可以实现从液桥界面光学影像到位形数据的自主识别程序。提出了界面最大位移点横向距离变化量随剪切气流变化的理论公式。实验结果表明:当剪切气流方向与重力方向相同时,液桥界面外凸部分受力下移,内凹部分向液侧凹曲加剧。当剪切气流方向与重力方向相反时,液桥界面外凸部分受力上移,内凹部分凹曲加剧。上通气造成液桥断裂的可能性加大。对于体积比小于1的液桥(如：V=0.802、V=0.899),界面形状呈现出一定的正弦规律。对于体积比大于1的液桥(如：V=1.071),向上的剪切气流托拽界面外凸部分上移,界面形状呈多峰结构。对于大高径比液桥(如:г=1.4),下通气对其界面形状并没有产生较大的改变。随着高径比的减小(如:г=1.2),界面的变形加大。