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硅液桥MARANGONI对流的一种无玷污的抑制方法研究

李杰  
【摘要】: 本文论证了一种无玷污的抑制热毛细对流的方法的有效性,该方法通过引入氩气切向冲刷微重力下硅液桥的自由表面,通过产生的剪切力来抑制硅熔体内的Marangoni对流。首先建立了微重力条件下气流冲刷抑制半浮区硅熔体内Marangoni对流的物理模型和数学模型。采用原始变量法,用Galerkin有限单元法对无量纲控制方程及边界条件进行离散后,数值模拟了微重力条件下半浮区硅熔体及气体流道内的Marangoni对流,得出了无量纲气流冲刷速度及流道宽度变化和熔体内热毛细对流抑制程度的关系,进而分析了不同的无量纲参数Ma数和不同熔体几何尺寸比A下热毛细对流抑制情况。 结果表明:硅熔体热毛细对流抑制程度和气体冲刷速度有着密切联系,合理的选择气流冲刷速度,可以使给定条件下的熔体热毛细对流减弱到一个最佳程度。一定情况下抑制程度最大可以达到99%以上。流道宽度对熔体热毛细对流的抑制有很大的影响,流道越窄,熔体热毛细对流的抑制效果也越好。对于不同的无量纲参数Ma数,为达到熔体热毛细对流的最佳抑制,所需的气流冲刷速度不同,Ma越小抑制所需气流冲刷速度也越小,抑制效果也越好。同样不同几何尺度比,为达到最佳抑制程度,使其熔体内热毛细对流达到最弱,所需气流冲刷速度也不同,其抑制程度也不同。随着的增大,要想达到热毛细对流的最佳抑制,所需要的气流冲刷速度反而越小;但抑制程度随着值的增大有一个先增加再减小的过程,当为2时抑制程度达到最佳。 利用模拟的结果,我们找出了使熔体内热毛细对流得到最佳抑制所需的气流冲刷速度和几个无量纲参数的关系式。这无疑对将来实验及工程上的适用有一定的指导意义。


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