环形池内双层流体浮力-热毛细对流的实验研究

液封提拉法生长晶体过程中,液封流体与熔体形成了不相溶的双层流体。除了自由表面的热毛细力作用外,液-液界面的热毛细力以及浮力共同驱动了双层系统内浮力-热毛细对流的产生。为了了解环形池内双层流体的复杂流动和传热特征,本工作对环形池内0.65cSt硅油与水组成的双层流体浮力-热毛细对流进行了实验观察。实验记录了不同的液层厚度比和深宽比条件下流动失稳的临界温差与流动形态。结果表明,液层总厚度的增大会削弱系统的流动稳定性。流动失稳的流动形态有三种,即第一种热流体波、第二种热流体波和三维稳态流动。实验还观察到了流动分岔现象。     

液封Pr和Sc对开口矩形液池热-溶质毛细对流的影响

在基于提拉法制备晶体材料的背景下,采用格子玻尔兹曼方法对具有自由表面的双层矩形液池内热-溶质毛细对流进行数值模拟.通过频谱分析确定双层热-溶质毛细对流的流动类型,在自由表面雷诺数Re2、界面雷诺数Re1、下熔体层普朗特数Pr1和施密特数Sc1分别为600、300、1.0和100的条件下,研究了液封层普朗特数和施密特数对熔体层热-溶质毛细对流的影响.通过双层热-溶质毛细对流和单层系统的对比表明,液封对下层毛细对流可以起到很好的抑制作用.在液封Sc2=100、Pr2=0.4~10.0条件下,毛细对流都是双频准周期型.随着Pr2的增加,第一基频和第二基频都减小,系统稳定性增加;在Pr2=1.0、Sc2=20~100条件下,随着Sc2的增大,系统的振荡频率增大,对流将从周期模型再次转变为准周期型,稳定性降低.     

高Prandtl数双层流体的热毛细对流数值模拟

不相溶混的双层流体系统的传热传质现象广泛地存在于自然界和工程技术领域中,尤其是芯片工业与微电子工业中半导体材料的液封提拉法生长制备工艺中,双层流体的流动稳定性直接影响着晶体材料的生长质量.微重力条件下,由于没有了重力的影响,可以增强双层流体流动的稳定性以获得更为优异的晶体生长环境,然而,两相界面处的热毛细力引起的热毛细对流却对双层流体系统中的传热传质现象影响甚大.目前,可采用实验研究的方法对水平温度梯度作用下的双层流体的热毛细对流进行可视化研究,以观测流动特性及失稳的耗散结构.在空间实验中,由于低Prandtl数流体不可透视的特性,故在实验中鲜少采用其作为观察工质,多采用高Prandtl数流体.关于双层流体的热毛细对流,前人的研究主要集中在矩形腔体内环形池内的低Prandtl数双层流体的流动特性,对环形液池中高Prandtl数双层流体的流动特性及失稳耗散结构的研究还鲜见报道.本工作针对微重力条件下,水平温度梯度作用下的环形液池内B2 O3/蓝宝石熔体、5cSt硅油/HT-70、水/FC-75三组工质对的热毛细对流特性进行了研究,采用数值模拟的方法获得了R-Z截面的流函数、温度分布,以及监测点的速度和温度周期波动,揭示了流动失稳后的振荡流型.研究结果表明,运动粘度会影响流动流型,对于运动粘度较低的5cSt硅油/HT-70、水/FC-75的工质对,流动失稳为热毛细对流失稳,而高运动粘度的B2 O3/蓝宝石熔体则出现了热毛细对流失稳与Marangoni失稳.对比三种工质对的流动失稳临界Marangoni数,发现上下液层Prandtl数比值越大,则临界Marangoni数越大,选择较大的上下液层Prandtl数比值,可增强环形双液层流体流动稳定性.     

微重力双向温差作用下Czochralski法硅熔体中的热毛细对流

采用数值模拟的方法研究了微重力条件下Czochralski法生长硅晶体过程中熔体热毛细对流的基本特征,探讨了水平和垂直温度梯度的耦合对熔体流动的影响。熔体自由表面与外界辐射换热,水平温度梯度Marangoni(Ma)数选取(0~3 000),底部热流Q选取(1.39×10-2~1.76×10-2)。结果表明,当Q和Ma数均较小时,流动为稳态,液池内产生3个流胞,熔体流动由Q主导,减小Q或增大Ma数可使流动更稳定。当Ma数增大到一定值时,流动从稳态转变为非稳态,流动的临界Mac数随Q的增大而显著减小。流动失稳后,出现了新的流动转变方式,Ma数为影响表面波动形式的关键因素,Q会改变热流体波数,是晶体附近的热流体波产生的决定因素。随着Ma数和Q的不断增强,自由表面最终形成弯曲条幅状热流体波。     

微重力条件下分离结晶过程中熔体热毛细对流的数值模拟

用有限差分法对微重力条件下分离结晶生长中的熔体热毛细对流进行了数值模拟,熔体的深径比A取1和2,自由界面无因次宽度B取0.05,0.075和0.1;得到了分离结晶Bridgman生长过程中熔体热毛细对流的流函数分布和温度分布图,研究了流型的演变过程和流动的失稳机制.结果表明:当Marangoni(Ma)数比较小时,流动为稳态流动并只存在于自由界面附近,随着Ma数的增加,流动增强并逐步向熔体内部扩展,熔体内部温度分布的非线性性增加,自由界面速度增大;Ma数超过某一临界值后,流动转化为非稳态流动;流动失稳的物理机制是流速的变化和阻力的变化之间存在滞后.     

高温氧化物熔体中表面张力对流效应研究实验

利用高温实时光学观察方法,实时地观察了高温氧化物熔体中的表面张力对流效应．稳态的热毛细对流流线呈轴对称形式,非稳态的热毛细涡流运动伴随熔液温度呈周期性变化,同时还观察到另一种由熔体自由表面的弯月面曲率的变化引起的非稳态的热毛细对流现象．最后测定了相对熔液温度下非稳态热毛细对流的振荡频率．     

方腔内Al2O3-H2O纳米流体热毛细对流的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法研究纳米颗粒形状影响下方腔内纳米流体热毛细对流的强化传热效果,主要分析了纳米粒子体积分数、颗粒形状以及Marangoni数Ma等相关参数对于纳米流体热毛细对流换热过程的影响。结果表明:长径比（长/半径）对纳米流体换热效果有影响,形状因子越大,平均Nu数Nu_ave越大。随着体积分数的增加,棒状、盘状和正方体状纳米颗粒均使热毛细对流的Nu_ave数减少,球状纳米颗粒条件下热毛细对流的Nu_ave数增加。Ma数越大,纳米流体热毛细对流的自由表面速度越大,对流换热效果也随之增强。      

表面张力对流对 BaB2O4晶体生长界面边界层的作用

利用高温光学实时观察方法，实时地观察了BaB2O4（BBO）高温熔体的表面张力对流效应以及BBO单晶的旋转生长过程，计算了固液界面附近的浓度、温度以及动量边界层厚度δc，δT和δv，并研究了热毛细对流对边界层厚度的影响．结果发现，浓度边界层厚度远远小于温度以及动量边界层厚度，说明晶体生长过程中，质量扩散在界面输运过程中起着主导性作用，同时发现，边界层厚度随体系无量纲Marangoni数的增大而线性地减小．     

多晶硅真空定向凝固过程Marangoni对流对铸锭质量的影响研究

对于多晶硅垂直布里奇曼真空定向凝固过程,熔体自由表面张力引起的Marangoni对流对晶体生长质量有着明显的影响。本文通过建立多晶硅真空定向凝固过程的热场-流场-应力场多场耦合数学物理模型,采用数值模拟和实验研究了Marangoni对流作用下熔体传热特性、熔体流动行为、铸锭热应力等因素对硅晶体生长质量的影响。结果表明：Marangoni对流会增强硅熔体流场的流动强度,使得硅熔体平均流速增大3倍左右,进而影响硅熔体内部的对流换热能力,使硅熔体和硅固体温度分布更加均匀,硅熔体温度梯度降低4.8%-9.9%,硅固体温度梯度降低2.1%-2.6%,使多晶硅铸锭过程产生更小的热应力和更少缺陷。     

模拟界面换热系数和密度对热溶质对流影响

为了能够更好地控制凝固过程热和溶质的传输,以二元合金为例,研究了在单边散热条件下,不同界面换热系数和密度对热溶质对流的影响.研究表明:当材料密度一定时,随着界面换热系数的提高,沿散热方向上的温度梯度增大,热溶质对流的效果增强;当界面换热系数为1 000 W/(m2·K)时,在凝固初期铸件底部出现涡流现象;在界面换热系数不变的情况下,随着材料密度的增加,铸件内液体金属的热溶质对流效应减弱.