1397.環(huán)形液池內(nèi)雙組分溶液耦合熱溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流的三維數(shù)值模擬

1、環(huán)形液池內(nèi)雙組分溶液耦合熱溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流的三維數(shù)值模擬重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文(學(xué)術(shù)學(xué)位)學(xué)生姓名：羅佳倩指導(dǎo)教師：李友榮教授專業(yè)：動(dòng)力工程及工程熱物理學(xué)科門類：工學(xué)重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院二O一七年四月重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要I摘要毛細(xì)對(duì)流是晶體生長、焊接、合金凝固等工業(yè)過程中極為常見的一種現(xiàn)象，尤其是在雙組分晶體制備過程中，熔體內(nèi)部濃度差和溫度差引起的耦合熱溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流對(duì)晶體生長質(zhì)量有較大影響。目前，關(guān)于耦合熱溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流的研究主要是針對(duì)

2、自由表面絕熱、且承受水平溫度和濃度梯度的液層，對(duì)自由表面存在散熱的環(huán)形液池內(nèi)的耦合熱溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流研究較少。本文以雙組分晶體生長過程為背景構(gòu)建了自由表面存在散熱、底部施加線性溫度梯度的環(huán)形淺液池內(nèi)毛細(xì)對(duì)流的理論模型，采用三維數(shù)值模擬研究了考慮Set效應(yīng)的耦合熱溶質(zhì)毛細(xì)對(duì)流過程，探討了自由表面散熱強(qiáng)度、液池深寬比和Set效應(yīng)對(duì)流動(dòng)基本形態(tài)、流動(dòng)轉(zhuǎn)變的臨界條件及流型演變過程的影響。主要結(jié)論如下：(1)當(dāng)不考慮浮力時(shí)，隨著熱毛細(xì)雷諾數(shù)的增加，液

3、池內(nèi)的流動(dòng)將依次經(jīng)歷二維穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)、熱流體波到混沌流動(dòng)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)流動(dòng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S振蕩對(duì)流后，自由表面濃度波動(dòng)形態(tài)與溫度波動(dòng)形態(tài)相似，但濃度波動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于溫度波動(dòng)幅度。當(dāng)考慮浮力時(shí)，流動(dòng)失穩(wěn)的臨界毛細(xì)雷諾數(shù)增加，臨界振蕩頻率降低，毛細(xì)對(duì)流的穩(wěn)定性增強(qiáng)；外側(cè)壁附近出現(xiàn)了三維振蕩RayleighBnard對(duì)流結(jié)構(gòu)。(2)隨著表面散熱量的增加，環(huán)形液池內(nèi)的毛細(xì)對(duì)流強(qiáng)度增強(qiáng)；流動(dòng)失穩(wěn)的臨界熱毛細(xì)雷諾數(shù)和臨界振蕩頻率均減小，流動(dòng)更易失穩(wěn)；自由表面絕

4、熱時(shí)，振蕩流動(dòng)波數(shù)隨熱毛細(xì)雷諾數(shù)的增加而減小，自由表面存在散熱時(shí)，波數(shù)隨熱毛細(xì)雷諾數(shù)的增加變化不大；無論表面散熱強(qiáng)度如何，振蕩主頻均隨熱毛細(xì)雷諾數(shù)的增大而增加。(3)隨著液池深寬比的增加，自由表面毛細(xì)對(duì)流強(qiáng)度減弱，浮力對(duì)流增強(qiáng)，液池內(nèi)的流動(dòng)強(qiáng)度整體增強(qiáng)；流動(dòng)失穩(wěn)的臨界熱毛細(xì)雷諾數(shù)和振蕩頻率均隨深寬比增加而減小，流動(dòng)更易失穩(wěn)；液池越深，波數(shù)越少，流型越單一，并且在較深液池內(nèi)會(huì)出現(xiàn)三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)結(jié)構(gòu)。(4)相比于純工質(zhì)的熱毛細(xì)浮力對(duì)流，混合工