【摘 要】
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浮区法是晶体材料制备中广泛应用的一种方法,在微重力条件下,表面张力梯度引起的对流成为影响材料品质的突出因素,因而成为重要的研究课题。近期研究发现,在常重力环境中,液桥内热
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浮区法是晶体材料制备中广泛应用的一种方法,在微重力条件下,表面张力梯度引起的对流成为影响材料品质的突出因素,因而成为重要的研究课题。近期研究发现,在常重力环境中,液桥内热毛细对流仍然不可忽视,热毛细一浮力对流成为人们关注的对象。为削弱热毛细对流,近年来发展起来的液封液桥方法,在抑制热毛细对流方面颇具魅力。本文研究的不相溶混的双层同轴液柱模型即来源于浮区熔体晶体生长液封技术。因此,本文的研究结论可直接服务于浮区熔体晶体生长,使其具有独特的工程应用前景。
本文建立了不相溶混的两层流体热毛细-浮力对流的物理模型和数学模型,采用四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)法求解杨-拉普拉斯方程,得到了液封自由表面及液-液界面的形状。采用原始变量法,利用有限容积法对常重力条件下界面变形的液封液桥内热对流进行了数值模拟,模拟液桥流体为氟化物FC-70,液封流体为2cSt硅油。得到了双层流体主流区的温度场、流场分布和液桥纵横比、液封层厚度以及无量纲参数Marangoni数、Grashof数对热对流的影响规律。结果表明:
①在常重力环境下,液封自由表面及液-液界面产生了变形,不再是简单的圆柱形。其变形程度与液封液桥几何尺寸及流体的物性参数有关。
②在本文模型中,浮力对流削弱了液封层内的热毛细对流,减弱了液封对液桥内热毛细对流的抑制作用。
③随着液封层流体厚度的减薄,液桥层流体的热毛细对流被大大的削弱,液封层厚度越薄,对液桥层流体热毛细对流的抑制越强。
④随着液桥纵横比 Ar 的增大,界面变形幅度增大,液桥层内的热毛细对流减弱,
⑤随着 Ma 数的增大,液桥层和液封层的热毛细对流都增强;而随着 Gr 数的增大,液封层和液桥层的热毛细对流都被削弱,
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