一般来讲,工质的表面张力会随温度的升高而降低,因此,当自由界面存在温度不均匀时,会产生表面张力的不均匀,从而驱动液层内流体流动。这种由于表面温度分布的不均匀而产生的表面张力梯度称为热毛细力,由热毛细力驱动的流动称为热毛细对流。当液层内浮力效应不可忽略时,二者便可耦合形成热毛细-浮力对流。热毛细-浮力对流广泛存在于薄膜过程、相变传热、晶体生长和合金凝固等工业生产中,并对实际过程及产品质量有着重要的影响。本文主要采用实验研究方法,探究工质Prandtl数对Czochralski结构液池内热毛细-浮力对流的影响以及环形池内自由表面蒸发对热毛细-浮力对流的影响,分析工质Prandtl数、液层深度和表面蒸发速率对流动失稳临界值的影响、流动失稳后自由表面耗散结构演变规律以及相应的三维振荡特性。主要结论如下:对施加水平温差的Czochralski液池内热毛细-浮力对流而言,随着浮力效应的增强以及Prandtl数的增大,临界Marangoni数单调递增,且深液层内工质Prandtl数对流动失稳临界值的影响远大于浅液层。对浅液层而言,流动失稳后,随着Marangoni数的增大,自由表面耗散结构逐渐从同心圆环结构过渡到热流体波结构,Prandtl数的增大和浮力效应的增强均起到抑制热流体波而促进同心圆环结构出现的作用;在深液层中,对于低Prandtl数工质而言,随着液层深度的增加,自由表面流型从花苞状结构过渡到直条状结构,且随着Marangoni数的增大,轮辐数会逐渐减少。而当Prandtl数较大时,自由表面无花苞状耗散结构出现。当考虑自由表面的蒸发效应时,环形液池内液层平均温度、Marangoni数以及液层深度的增加均会促进自由表面蒸发速率的加快,但由于浅液层内浮力效应较弱,液层深度变化对表面蒸发速率的贡献相对较弱,且表面蒸发有抑制流动不稳定性的作用。当流动失稳后,在表面蒸发相对较弱时,随着蒸发速率的增加,自由表面热流体波结构逐渐变得模糊直至消失,相应的温度振荡幅值和主频均会减弱,此时自由界面振荡(表面波)和温度振荡(热流体波)具有相同的振荡频率;当表面蒸发较强时,温度振荡大幅减弱,由于“蒸发回退”效应,界面振荡变得无序和混乱。