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环形液池内溶质毛细对流及其与热毛细对流的耦合效应

陈捷超  
【摘要】:溶质毛细效应是合金浇铸凝固、半导体晶体生长、焊接及混合工质相变传热等工业过程中不可忽略的重要因素,其与热毛细效应耦合的应用领域也十分广阔。为了获得高质量的二元晶体和合金,非常有必要深入研究坩埚内溶质毛细力、热毛细力和浮力等驱动力的耦合效应,分析流动的基本特性,了解流动稳定性和失稳机理,探讨流动过程的调控技术。目前,对溶质毛细效应及其与热毛细效应耦合的研究较少,且缺乏对上述两种毛细效应以及浮力效应耦合的定量分析。本文一方面采用数值模拟和实验相结合的方法,研究环形液池内纯溶质毛细对流的基本特性,另一方面,探讨溶质毛细力、热毛细力及浮力等作用力相互耦合时流动的基本特征,揭示流动失稳的临界条件、流型转变规律及流动失稳的机理。主要研究内容及结果如下:(1)采用数值模拟研究了仅存在径向溶质浓度梯度作用时环形液池内的纯溶质毛细对流,结果发现,当溶质毛细雷诺数较小时,纯溶质毛细流动为轴对称稳态流动,液层内部出现嵌在基础流胞中的小流胞,随着溶质毛细雷诺数增加,小流胞数量增多,液层内流动增强。当溶质毛细雷诺数超过临界值后,轴对称稳态流动依次转变为二维周期振荡流动、驻波及溶质流体波(HSW)型式的振荡流动。改变径向浓度梯度方向后,流动稳定性增强,流型演变序列相同。重力条件下浮力使流动增强,当溶质毛细雷诺数超过临界值较多时,自由表面上浓度波动也表现为HSW型式。(2)对径向温度和溶质浓度梯度共同作用下环形液池内耦合热-溶质毛细对流进行了数值模拟,结果表明,当热毛细雷诺数较小时,随着毛细力比和热毛细雷诺数的变化,液层中出现三种类型的二维稳态流动,分别是沿逆时针方向旋转的单胞流、沿顺时针方向旋转的单胞流、以及两个旋转方向相反的流胞共存的流型。随着热毛细雷诺数增加,二维稳态流动依次转变为三维稳态流动、二维或三维周期性振荡流动。当毛细力比从0变化至-1时,两种流型转变的临界毛细雷诺数均先减小、后增加,而流动转变的临界频率和临界波数也与毛细力比密切相关。在计算的毛细力比范围内,共发现了两种三维周期性振荡流动,分别为振荡直条辐型式和行波型式,液层自由表面出现了呈热流体波(HTW)和溶质流体波的温度和溶质浓度波动型式。(3)对于毛细力比为-1的特殊工况,当热毛细雷诺数超过某一临界值后,静止无流动状态的液层内依次出现行波(TW)、径向行波与静止波共存(CTSW)、以及振荡直条辐(VSP)等流型。流动为TW时,热毛细效应与溶质效应大小相近;随着热毛细雷诺数增加,热毛细效应对流动的影响逐渐占据主导地位。流动为CTSW流型时,液层中同时存在稳态流动区域与周期振荡流动区域,流场随时间的变化和在空间上的分布都是有序的,而对VSP流型而言,自由表面流型为有序的“花瓣”状图型,在空间分布上有序,但流动随时间的变化是混乱的。(4)对重力条件下的耦合热-溶质毛细-浮力对流进行了数值模拟,结果表明,当热毛细雷诺数较小时,共存在四种二维稳态流动结构,即沿逆时针方向旋转的单流胞结构、两个涡胞左右分布和上下分布的结构、以及沿顺时针方向旋转的单流胞结构。随着热毛细雷诺数增加,二维稳态流动将依次转变为三维稳态流动、二维或三维周期性振荡流动。当毛细力比从0变化至-0.8时,二维稳态流动转变为三维稳态流动的第一临界热毛细雷诺数逐渐增加,而稳态流动转变为周期性振荡流动的第二临界值先增加、后减小。重力条件下的第一临界值与零重力条件下的值相差不大,而第二临界值的相对大小则与毛细力比有关。三维周期性振荡流动型式与毛细力比有关,在计算毛细力比范围内,共发现了振荡直条辐和沿周向传播的行波两种流型,以及热流体波和溶质流体波波动型式。(5)当毛细力比在-0.3附近时,耦合热-溶质毛细-浮力对流出现逆转变现象,时相关振荡流动转变为三维稳态流动。当毛细力比为-1时,由于热浮力和溶质浮力不平衡,使得液池中只要有温差就会出现二维轴对称稳态流动。流动失稳后将转变为二维轴对称周期性振荡流动,随着热毛细雷诺数继续增大,流动会进一步转变为驻波型式的周期性振荡流动。当保持热毛细雷诺数不变时,液池内流动随深宽比的改变将分别出现周期振荡、亚临界非稳态以及三维稳态等流型。(6)采用实验方法研究了环形液池内纯溶质毛细流动失稳后表面浓度的波动特征,结果表明,流型转变序列与数值模拟结果类似,流动失稳临界溶质毛细雷诺数的实验结果与数值模拟结果吻合较好;环形池内溶液流动失稳的临界溶质毛细雷诺数不但随初始浓度升高而增加,还随深宽比增加而增加。


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