环形浅液池内热毛细对流的能量涨落分析.pdfVIP

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 学术会议论文 编号：081109 环形浅液池内热毛细对流的能量涨落分析 莫东鸣，李友荣，彭岚 （重庆大学动力工程学院，重庆 400044 ） （Tel: 023 E-mail: liyourong@cqu.edu.cn ） 摘要：为了了解微重力条件下水平温度梯度作用时环形浅液池内的流动失稳特性及失稳机理，对环形 浅液池内硅熔体的三维非稳态热毛细对流进行了能量涨落分析，得到了不同温差下整个腔体中的脉动 动能和脉动热能的时间变化率，找出了动能波动与热能波动的驱动力、阻滞力与主导项；用非平衡热 力学及耗散结构理论对流动失稳现象进行了分析，发现对低 Pr 数流体,热传导所耗散的脉动热能涨落 转化为对流引起的脉动动能涨落，是引发“热流体波”失稳的直接原因。 关键词：环形浅液池；热毛细对流；能量涨落；耗散结构 0 前言 近年来，随着科技的迅猛发展，对常重力及微重力条件下的各种热物理现象的研究 日显重要，其中由表面张力梯度驱动的热毛细对流及其控制的研究受到了特别关注。在 熔体晶体生长过程中，希望得到性能均匀的高质量晶体材料，但是，如果熔体的运动是 非稳定的，则晶体材料的均匀性会受到破坏[1] 。引起熔体运动的主要原因是浮力和热毛 细力，当沿自由表面的温差超过某一临界值后，熔体的运动将会变为非稳定的振荡运动。 [2-4] 目前，已有不少学者对环形池内热毛细对流的失稳特性进行了数值模拟和实验研究 ， 但是，对环形浅池内熔体在流动失稳后的能量涨落特性还不甚了解，目前只有少量关于 矩形腔内热对流失稳过程的能量涨落分析[5-8] 。为了解环形液池内流动失稳影响因素的相 互关系及失稳机理，本文对不同温差下环形浅液池内硅熔体热毛细对流失稳时的能量涨 落和耗散结构进行了分析，以期利用非平衡热力学的耗散结构理论对此现象进行解释。 1物理数学模型 环形浅池结构如图 1 所示，内径为r ，外径为r ，深度为d ，上部为自由表面，底部 i o 为固壁，内、外壁分别保持恒定的温度T 和T (T T ) 。在自由表面考虑了热毛细力的作 h c h c 用，其它液-固界面满足无滑移条件，顶部和底部采用绝热边界条件。同时，为简化起见， 假定：(1) 硅熔体为不可压缩Newtonian流体；(2) 流体速度较小，流动为层流；(3) 自由 表面为平面且不变形。 分别以(r 2 2 -r ) /ν, (r -r ), ν/(r -r )和 νμ/(r -r ) 作为控制方程的无量纲参考时间、长度、 o i o i o i o i 速度和压力，并定义无因次温度Θ=(T?T )/(T ?T )，则无因次控制方程为： c h c 1 ? (UR) + ? W + ?V 0 , (1) R ?R ?Z R?θ 资助项目：国家自然科学基金资助项目(No 图1 物理模型 2 2 2 ?U