微重力界面流動環狀流結構及流體波研究

《微重力界面流動環狀流結構及流體波研究》是依託中國科學院力學研究所，由陳啟生擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微重力界面流動環狀流結構及流體波研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳啟生
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

微重力環境下界面流動環狀流失穩及流體波現象的研究成為微重力流體力學的重要研究方向。環狀流是對提拉法晶體生長中界面張力驅動對流的一種簡化模型。本項目將利用理論分析、數值模擬和實驗手段對界面流動環狀流結構、流動失穩及流體波傳播機制進行研究，採用壓力波方程方法求解壓力，利用三維完全譜方法穩定性分析程式對環狀流失穩進行分析,利用粒子示蹤方法測量流體波結構及波速，揭示長徑比、體積比及Pr數對臨界失穩Reynolds數、失穩模態及頻率的影響。界面流動環狀流通過設定圓柱狀容器和圓盤之間溫度差產生，調整容器底盤高度可以改變環狀流的長徑比及體積比。通過對界面張力驅動對流結構、環狀流破碎及流體波傳播的研究,可以掌握變形界面流動及其振盪對晶體凝固界面形態以及晶體中雜質及摻雜分布的影響, 可以理解界面流動邊界層的結構特徵及流動失穩機制，並為微重力流體管理、流體波套用及材料製備提供理論基礎。

結題摘要

微重力環境下界面流動環狀流失穩及流體波現象的研究成為了微重力流體力學的重要研究方向。環狀流是對浮區法及提拉法晶體生長中界面張力驅動對流的一種簡化模型。項目利用理論分析、數值模擬和實驗手段對界面流動環狀流結構、流動失穩及流體波傳播機制進行了研究，採用壓力波方程方法求解壓力，利用三維完全譜方法穩定性分析程式對環狀流進行失穩分析，揭示了長徑比、體積比及Pr數對臨界失穩Reynolds數、失穩模態及頻率的影響。利用線性穩定性分析方法研究了反向旋轉圓盤之間熱毛細流動的穩定性問題。對於小Pr數液體(Pr＜=0.01)，圓盤旋轉使得最不穩定擾動主要為三維振盪模態。但存在一個旋轉速度，其對應的擾動為三維靜止模態。能量分析結果表明,擾動能量包括粘性耗散、表面張力做功以及擾動流和基本流的相互作用。對於小Pr數液體(Pr＜=0.01)，擾動能量主要來自於擾動和基本流的相互作用，表明流體失穩是動力學失穩。當圓盤低速旋轉時，擾動和基本流在周向的作用項變為負 (ReΩ = 50)，說明低速旋轉可以使得熱毛細對流更穩定。對外壁加熱的環形液池熱毛細對流進行了線性穩定性分析。採用Chebyshev配點法對Pr=6.84,內外徑之比為0.5,深寬比A範圍為0.25 - 1.4的數值結果進行分析，發現流動的臨界狀態均為振盪形式,並且隨著A增大,臨界雷諾數減小,相應的臨界波數與振盪頻率也呈減小趨勢。能量分析結果表明,小擾動與基本流相互作用項較小,表面張力在徑向做功與周向做功對小擾動的動能變化起主導作用.觀察三者與液池深寬比的關係,發現A = 0.8時,表面張力在徑向做功項達到極小值,周向做功項以及小擾動與基本流相互作用項達到極大值。通過對界面張力驅動對流結構、環狀流破碎及流體波傳播的研究,掌握了變形界面流動及其振盪對晶體凝固界面形態以及晶體中雜質及摻雜分布的影響, 理解了界面流動邊界層的結構特徵及流動失穩機制。理論分析得到的結果為我國空間站微重力流體環狀流實驗的參數選擇提供了參考依據。