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工程热物理学报 2015年第5期36卷 1091-1095页

作者：张银黄护林张喜东唐硕捷南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

浮区法是一种无坩埚容器接触、生长高质量单晶的重要晶体生长技术。微重力环境下,热毛细对流成为熔体中的主要对流,因此,研究浮区法晶体生长中热毛细对流的不稳定性具有重要意义。本文利用VOF自由表面追踪模型来捕捉自由界面的运动,数... 详细信息

浮区法是一种无坩埚容器接触、生长高质量单晶的重要晶体生长技术。微重力环境下,热毛细对流成为熔体中的主要对流,因此,研究浮区法晶体生长中热毛细对流的不稳定性具有重要意义。本文利用VOF自由表面追踪模型来捕捉自由界面的运动,数值研究了微重力下动态自由界面液桥内热毛细对流特性及温差(△T)对自由界面变形的影响。结果显示,在较强的温差作用下,整个熔区出现三维不稳性的热毛细对流振荡,并且随着温差的增加,振荡强度增强,振荡波数也随之增加;自由界面呈现出冷、热壁面膨胀而中间收缩的"瓶颈"状分布。自由界面变形率随温差先增长较快,后增长较慢。

关键词：动态自由界面热毛细对流浮区法微重力 VOF

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动态界面液桥内热毛细对流不稳定性及磁场主动控制

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作者：张银南京航空航天大学

学位级别：硕士

浮区法具有无污染生长的优点而成为一种生长高质量、高纯度单晶材料的重要生长技术。微重力环境下,由于重力场的极度微弱,浮力对流逐渐被掩盖,热毛细对流成为熔体中的主要对流,且其不稳定会引起晶体微观瑕疵和宏观条纹等缺陷的形成,这... 详细信息

浮区法具有无污染生长的优点而成为一种生长高质量、高纯度单晶材料的重要生长技术。微重力环境下,由于重力场的极度微弱,浮力对流逐渐被掩盖,热毛细对流成为熔体中的主要对流,且其不稳定会引起晶体微观瑕疵和宏观条纹等缺陷的形成,这给浮区法晶体生长带来极大挑战。因此,为了提高浮区法生长单晶材料的品质,研究浮区法晶体生长中热毛细对流特性及如何控制其不稳定性显得尤为重要。本文以浮区法晶体生长过程中热毛细对流的不稳定性为研究对象,利用VOF自由表面追踪模型来捕捉自由界面的运动,采用数值模拟的方法对微重力下动态界面液桥内热毛细对流的不稳定性、自由界面变形特征以及外部磁场对热毛细对流不稳定性和自由界面变形的影响进行研究。本文开展的研究内容及相关数值结果如下:首先,数值研究了微重力下直径为1 cm的小尺度液桥内热毛细对流及自由界面变形的动态特性。研究发现,当Ma=1.22×103时,液桥内热毛细对流出现稳定的周期性振荡,其振荡周期为τ=0.58 s,熔区内流场和温度场结构随之发生周期性变化;当高径比Ar=1时,液桥内热毛细对流发生不稳定性振荡的临界Marangoni数(Ma)为421.21;当热毛细对流出现周期性振荡时,将会导致液桥内周向速度和径向速度沿周向产生不均匀性,并且随着Marangoni数的增加,周向波和径向波的波瓣增大,强度逐渐增加;自由界面呈现出冷、热两端凸出而在z=0.312 cm区域收缩的“瓶颈”状分布,自由界面的最大变形率ξ随时间呈正弦曲线波动的周期性变化,且其振荡周期与热毛细对流振荡周期保持一致。随着Marangoni数的增加,自由界面的最大变形率ξ逐渐增加。其次,研究了Marangoni数和高径比Ar对直径为2 cm的大尺度液桥内热毛细对流及自由界面变形动力学行为特征的影响规律。结果显示,在Marangoni效应的作用下,液桥内形成的对流涡占据整个液桥空间,在左半区呈顺时针循环,右半区呈逆时针循环。当热毛细对流发生失稳时,整个液桥内熔体对流出现三维不稳定性振荡,并且随着Marangoni数的增加,热毛细对流强度及不稳定性增加,瞬时温度波动的振幅和频率均逐渐增大。与之相反,随着高径比Ar的增加,热毛细对流强度及不稳定性减弱,瞬时温度波动的振幅增加而频率减小。此外,自由界面的最大变形率ξ随着Marangoni数及高径比Ar的增加而增加。最后,研究了外部横向磁场、轴向磁场及勾型磁场对直径为2 cm的大尺度液桥内流场、温度场以及自由界面变形的影响,并对比分析了不同类型磁场对流动不稳定性及自由界面变形的抑制效果。研究发现,横向磁场对热毛细对流抑制具有方向性,其对θ=0°截面上热毛细对流的抑制作用较强,而对θ=90°截面上抑制作用相对较弱;而轴向磁场和勾型磁场对整个液桥内热毛细对流具有较强的抑制作用,其均使得对流涡主要集中在自由界面处,并且轴向和勾型磁场能同时沿轴向和径向对热毛细对流不稳定性产生抑制作用。比较磁场的作用效果发现,勾型磁场对流动不稳定性及自由界面变形的抑制能力最强,其抑制θ=0°和θ=90°截面上自由界面变形的临界Hartmann数(Ha)均为98.36;轴向磁场对流动不稳定性及自由界面变形抑制能力次之,其抑制θ=0°和θ=90°截面上自由界面变形的临界Hartmann数分别为214.11和208.12;横向磁场对流动不稳定性及自由界面变形的抑制能力最弱,其抑制θ=0°和θ=90°截面上自由界面变形的临界Hartmann数分别为230.12和240.12。

关键词：微重力动态自由界面热毛细对流浮区法 VOF 磁场

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