环形液池内双组分溶液耦合热-溶质毛细对流的三维数值模拟

摘要

毛细对流是晶体生长、焊接、合金凝固等工业过程中极为常见的一种现象，尤其是在双组分晶体制备过程中，熔体内部浓度差和温度差引起的耦合热-溶质毛细对流对晶体生长质量有较大影响。目前，关于耦合热-溶质毛细对流的研究主要是针对自由表面绝热、且承受水平温度和浓度梯度的液层，对自由表面存在散热的环形液池内的耦合热-溶质毛细对流研究较少。本文以双组分晶体生长过程为背景构建了自由表面存在散热、底部施加线性温度梯度的环形浅液池内毛细对流的理论模型，采用三维数值模拟研究了考虑Soret效应的耦合热-溶质毛细对流过程，探讨了自由表面散热强度、液池深宽比和Soret效应对流动基本形态、流动转变的临界条件及流型演变过程的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴当不考虑浮力时，随着热毛细雷诺数的增加，液池内的流动将依次经历二维稳态结构、热流体波到混沌流动的转变。当流动失稳转变为三维振荡对流后，自由表面浓度波动形态与温度波动形态相似，但浓度波动幅度远小于温度波动幅度。当考虑浮力时，流动失稳的临界毛细雷诺数增加，临界振荡频率降低，毛细对流的稳定性增强；外侧壁附近出现了三维振荡Rayleigh-Bénard对流结构。⑵随着表面散热量的增加，环形液池内的毛细对流强度增强；流动失稳的临界热毛细雷诺数和临界振荡频率均减小，流动更易失稳；自由表面绝热时，振荡流动波数随热毛细雷诺数的增加而减小，自由表面存在散热时，波数随热毛细雷诺数的增加变化不大；无论表面散热强度如何，振荡主频均随热毛细雷诺数的增大而增加。⑶随着液池深宽比的增加，自由表面毛细对流强度减弱，浮力对流增强，液池内的流动强度整体增强；流动失稳的临界热毛细雷诺数和振荡频率均随深宽比增加而减小，流动更易失稳；液池越深，波数越少，流型越单一，并且在较深液池内会出现三维稳态流动结构。⑷相比于纯工质的热毛细-浮力对流，混合工质的Soret效应强化了液池内的对流；纯工质流动失稳的临界热毛细雷诺数更高，临界振荡频率更低，流动更趋于稳定；甲苯/正己烷溶液的Soret效应较为微弱，因此，当流动失稳之后，Soret效应仅仅改变振荡主频，并未对流型产生明显的影响。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 纯工质热毛细对流研究现状

1.3 考虑Soret效应的耦合热-溶质毛细对流研究现状

1.4 研究目的和内容

2 数学物理模型

2.1 引言

2.2 物理数学模型

2.3 计算模型和网格验证

3 耦合热-溶质毛细对流

3.1 引言

3.2 稳态流动

3.3 流动失稳临界条件

3.4非稳态流动

3.5本章小结

4 耦合热-溶质毛细-浮力对流

4.1引言

4.2 Bi数的影响

4.3 深宽比ε的影响

4.4 Soret效应的影响

5 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 攻读硕士学位期间发表的论文

B. 攻读硕士学位期间获奖情况