開口圓形液池內(nèi)熱毛細(xì)對流及其失穩(wěn)機理分析.pdf

1、在熔體晶體生長過程中,由溫度梯度引起的熱毛細(xì)對流成為影響晶體均勻性的重要因素,因此,深入研究熱毛細(xì)對流的穩(wěn)定性、發(fā)生轉(zhuǎn)變的物理機制及其基本特性,對于改進(jìn)生產(chǎn)過程、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要實用價值。為了了解微重力下開口圓形池內(nèi)熱毛細(xì)對流的基本規(guī)律及其轉(zhuǎn)化特性,利用有限差分法進(jìn)行了三維直接數(shù)值模擬,得到了圓形池內(nèi)的溫度場和速度場分布,并分析了Pr數(shù)、圓形液池深徑比As和毛細(xì)雷諾數(shù)Re對熱毛細(xì)對流的影響規(guī)律以及引起流動失穩(wěn)和產(chǎn)生不同振蕩流型的物理

2、機理。圓形淺池深徑比As的計算范圍為0.02-0.2,流體Pr數(shù)為0.011-1,毛細(xì)Re數(shù)范圍5.5×104-8×106。模擬結(jié)果表明,當(dāng)側(cè)壁溫度不均勻性較小時,流動為穩(wěn)定的三維流動,在垂直于主流方向存在兩個對稱的二次流胞;當(dāng)溫度不均勻性超過某一值后,流動將轉(zhuǎn)化為振蕩的三維流動,為此,確定了流動轉(zhuǎn)化的臨界條件,分析了三維穩(wěn)態(tài)和三維振蕩熱毛細(xì)對流的基本特性。當(dāng)Pr數(shù)較低時,溫度振蕩波在冷壁面附近產(chǎn)生,并且由于熱壁面溫度梯度較小,溫度振蕩

3、沿流動方向逆向傳播;在溫度波傳播過程中,流體溫度隨之升高,使得液池中心區(qū)域溫度梯度高于關(guān)于A-B截面對稱的兩側(cè),因此溫度波就向兩側(cè)擴散;當(dāng)Pr數(shù)增大時,由熱毛細(xì)對流引發(fā)的溫度振蕩波仍由右側(cè)冷壁向熱壁傳播,并向兩側(cè)翼展方向擴散,但流體動力擴散能力的增強促使從高溫向低溫的熱毛細(xì)對流增強,抑制了溫度波的傳播,由溫度波動引起的速度波動與表面熱毛細(xì)對流的交匯促使溫度振蕩沿逆向呈菱形傳播。隨著Re數(shù)的增加,無因次溫度振幅加大,振蕩的頻率也增加;隨著