轴向气流作用下高Ptandtl数流体热毛细对流数值模拟

摘要

浮区法(Floating zone method)是一种制备高质量晶体的生长技术，这种技术被认为是空间材料制备中最有前景的方法之一。其中液桥是为了研究浮区法生长过程建立的物理模型。在微重力条件下，表面张力梯度引起的对流成为影响材料品质的关键因素。表面变形是影响热毛细对流的重要因素之一，由轴向气流引起的表面变形刚刚引起人们的关注。目前国际上仅针对冷态液桥进行了少量研究，本文则侧重于轴向气流引起非等温液桥的自由表面变形，填补了国内这一领域的空白。 本文首先根据Young-Laplace方程确立了静态液桥模型，然后建立了常重力条件下气流切向冲刷硅油液桥的物理模型和数学模型，采用有限体积法对控制方程及边界条件进行离散后，数值模拟了液桥及气体流道内的流动，分析了气流速度和气流流向分别对等温液桥和非等温液桥自由表面及内部流态的影响。其中采用Fluent软件进行了数值计算，使用两相流模型VOF，针对N-S方程选取了PISO算法，并利用自行编译的UDF程序定义了动态接触角。 结果表明:对于体积比V=1、高径比t=1的硅油液桥，气流沿重力相反方向时，压差使得液桥下部收缩，上部膨胀;气流沿重力相同方向时，压差使得液桥下部膨胀，上部收缩。轴向气流刚刚作用于液桥自由表面时会引起表面的剧烈波动。当作用0.14s以上，自由表面波动达到稳定状态，此时表面波动小于0.5μm，随着气流流速的增加，稳定时间将会相对延长。自由表面在波动过程中，最大变形量通常出现在最凸点或者最凹点，在z=d/2附近某点变形量始终为零。非等温液桥由于上下温差的存在引起热毛细对流，沿重力相反方向的轴向气流能够抑制自由表面的变形以及内部的的热毛细对流，反之，沿重力相同方向的轴向气流会强化这些作用。气流流速愈大，剪切力愈大，自由表面的变形量愈大，自由表面上的轴向气流速度愈大。轴向气流不仅能改变液桥自由表面的形状和相关参数，也会影响液桥内部的流动和热量传递，对于等温液桥，随着气流流速的增大，内部胞元流动更加剧烈，涡心会沿着气流方向发生偏移;对于非等温液桥，同热毛细对流方向相同的气流会加强胞元流动，涡心会沿热毛细对流方向偏移，同热毛细对流方向相反的气流，会弱化胞元流动，促使涡心逆热毛细对流方向偏移。

目录

声明

摘要

1．1研究的背景与意义

1．2熔体法晶体生长技术

1．2．1 Bridgman法

1．2．2 Czochralski法

1．2．3浮区法

1．3浮区法晶体生长中问题

1．3．1浮区的自然对流

1．3．2浮区的热毛细对流

1．4国内外相关研究概况

1．5本文的研究内容

2．1引言

2．2物理模型及相关假设

2．3数学模型及其简化

2．3．1控制方程

2．3．2定解条件

3．1引言

3．2有限体积法

3．3同位网格简介

3．4建立离散方程

3．5数值计算

第4章轴向气流对等温液桥的影响

4．1引言

4．2程序有效性验证

4．2网格无关性验证和步长独立性验证

4．2．1网格无关性验证

4．2．2步长独立性验证

4．3数值结果

4．3．1无强制气流

4．3．2气流沿重力相反方向

4．3．3气流沿重力相同方向

第5章轴向气流对非等温液桥的影响

5．1引言

5．2无强制对流

5．3气流沿重力相反方向

5．4气流沿重力相同方向

第6章结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

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