高Prandtl数流体热毛细对流数值研究
由于表面张力变化而引起的沿液体自由面的对流运动我们称之为Marangoni对流。尽管这种变化可以由多种原因导致，但是这里我们主要关心温度引起的部分，亦称之为热毛细对流。在地面实验中热毛细对流往往被浮力驱动的对流所掩盖。空间实验的一个主要应用就是开发新的材料生产过程，因为在空间环境中重力被极大地削弱，亦即浮力作用被极大削弱，这时Marangoni对流开始变得重要。例如在熔区生长晶体过程中，Marangoni对流起着至关重要的作用。微重力环境下浮区法晶体生长过程被认为是制备高质量晶体的主要方法，因而浮区Marangoni对流越来越成为人们研究的重要课题之一。 液桥内Marangoni对流的一个主要特征就是从稳定流到振荡流的转变。因为振荡流对晶体生长有着重要的影响，所以有必要对这种转变机理进行研究。对于低Prandtl数流体的流动及振荡机理目前人们已经了解的很透彻，但是高Prandtl数范围内的流体，尽管对于颤动力、升温速率以及常温差对流动结构的影响人们已经进行了大量的实验和数值研究，但是这些研究几乎没有人将液桥自由面的动力学行为及周围气相的作用加以考虑，所以至今其数据的准确性仍存在较大的争议。 本文中，我们研究了残余重力、微重力及横向颤动条件下，液桥内的流动结构、温度场及振荡形态。同时，我们的研究不仅考虑了自由表面的变形而且也考虑了液桥周围气相的影响。我们在交错网格上求解N-S方程及与其耦合的能量方程，采用质量守恒的Level Set方法追踪两相界面，这种方法允许我们进行大密度比及粘度比的研究。 当前工作，主要涉及以下三个部分: 1.零重力环境下高Prandtl流体热毛细对流的数值研究; 2.不同横向颤动水平及减重水平对液桥内流动结构、温度分布及自由面形变影响的研究; 3.对热毛细振荡流的初步研究。 通过数值计算，相应得出以下结论: 1.初始时，由于热毛细对流作用液桥内形成一对胞元;液桥内回流作用使径向的对流作用加强，从而使自由面附近的温度分布更加均匀; 2.液桥表面水平颤动的幅度逐渐减小，在经过初始阶段后，液桥内热毛细对流趋于稳态;较高的重力水平引起较大的界面形变; 3.对于2号硅油，当温差超过临界值Tc=49.87℃时，液桥内开始产生振荡，此时的临界Marangoni数为Mac=43960。
热毛细对流;高Prandtl数;液桥自由面;温度场;振荡形态
东北大学
硕士
工程热物理
梁儒全
2011
中文
O363.2
121
2014-02-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）