環形液層旋轉-熱毛細對流失穩機理及耗散結構特徵

《環形液層旋轉-熱毛細對流失穩機理及耗散結構特徵》是依託重慶大學，由石萬元擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：環形液層旋轉-熱毛細對流失穩機理及耗散結構特徵
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：石萬元
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

在Cz法單晶體生長、浮區法單晶體生長等工業過程中廣泛存在旋轉和熱毛細力共同驅動的旋轉-熱毛細對流，它對這些過程具有不可忽視的影響，然而目前對這種對流的認識還十分缺乏，它屬於一種新的非平衡熱力學不穩定現象。項目擬採用實驗觀測結合數值模擬的方法，以外壁高溫、內壁低溫的旋轉環形液池內旋轉-熱毛細對流為研究對象，研究這種對流的失穩機理及失穩後耗散結構的基本特徵。內容包括：數值模擬對流的流場和溫度場，分析其流動和傳熱特徵，線性穩定性分析確定對流失穩的臨界條件；實驗觀測對流失穩的演變過程，並與單純熱毛細對流對比，探索其失穩機理；實驗觀測和數值模擬失穩後的耗散結構，分析它與熱流體波的區別，認知耗散結構的基本特徵；探索改善Cz法單晶體材料生產過程的合理途徑。本研究對於深入認識這種對流具有十分重要的學術價值，也對改善單晶體材料生長等工業過程具有重要的指導意義。

結題摘要

項目通過實驗觀測結合數值模擬和線性穩定性分析方法，以外環加熱、內環受冷的環形池內矽油和矽熔體熱毛細對流為研究對象，主要研究了環形池旋轉對熱毛細對流穩定性的影響，重點分析了旋轉系統熱毛細對流失穩的物理機理和失穩後熱毛細對流耗散結構的基本特徵。通過研究，我們發現了軸對稱穩定熱毛細對流時的多圈同心圓環形靜止波紋，首次觀察到了旋轉系統下熱毛細對流失穩後沿周向傳播的螺旋形波紋，觀察和測量了環形池旋轉對這些波紋的波動特徵的影響。隨著轉速的增大，溫度波動振幅減小，而頻率增加。隨著內外環間溫差的升高，振幅增加，頻率上升。對1cSt矽油，熱流體波的傳播方向不但與液池的旋轉方向有關，還與內外環間的溫差有關：超過臨界溫差不遠時熱流體波的傳播方向與液池的旋轉方向相反，提高溫差其傳播方向轉變為與液池旋轉方向相同，提高轉速又使傳播方向轉變為與液池旋轉方向相反。實驗和數值分析確定了熱毛細對流失穩的臨界條件，分析了旋轉對臨界條件的影響，結果發現：低速旋轉使熱毛細對流更容易失穩，而較高速度的旋轉使熱毛細對流更穩定。其物理機理在於：旋轉導致的科氏力使熱毛細對流產生周向擾動，從而使熱毛細對流更容易失穩；而離心力使熱毛細對流沿徑向分布更均勻，從而使熱毛細對流更穩定。旋轉使熱毛細對流渦胞發生分裂，從而增強熱毛細對流的周向擾動，使熱毛細對流的穩定性陡然下降，從而使穩定曲線分為多個分支。內環加熱時，旋轉對熱毛細對流穩定性的影響也存在一個轉折點，波紋的傳播方向與液池的旋轉方向相反，波紋主要分布在內環附近。數值模擬了矽熔體和0.65cSt矽油的浮力-熱毛細對流，發現浮力使矽油熱毛細對流更穩定，而使矽熔體熱毛細對流更容易失穩。通過這些研究，取得的主要創新成果包括：首次觀察到旋轉系統下熱毛細對流失穩後熱流體波的特徵，闡明了旋轉對熱毛細對流穩定性的影響及其物理機理，系統地分析了環形池旋轉對熱毛細對流的影響。研究不但對於豐富和發展旋轉系統熱毛細對流穩定性理論具有重要的學術價值，也對改善Cz法單晶體材料生產等工業過程具有重要的指導意義。至此，項目的主要研究內容已經完成，在國內外學術期刊發表論文6篇，其中SCI論文3篇，EI論文2篇，國核心心期刊論文1篇（EI刊源，已錄用），國際學術會議論文4篇論文，博士後出站1名，培養和協助培養博士和碩士研究生5名，獲新型實用專利授權2項，完成了項目計畫書擬定的研究目標。