环形液层旋转-热毛细对流失稳机理及耗散结构特征

在Cz法单晶体生长、浮区法单晶体生长等工业过程中广泛存在旋转和热毛细力共同驱动的旋转-热毛细对流，它对这些过程具有不可忽视的影响，然而目前对这种对流的认识还十分缺乏，它属于一种新的非平衡热力学不稳定现象。项目拟采用实验观测结合数值模拟的方法，以外壁高温、内壁低温的旋转环形液池内旋转-热毛细对流为研究对象，研究这种对流的失稳机理及失稳后耗散结构的基本特征。内容包括：数值模拟对流的流场和温度场，分析其流动和传热特征，线性稳定性分析确定对流失稳的临界条件；实验观测对流失稳的演变过程，并与单纯热毛细对流对比，探索其失稳机理；实验观测和数值模拟失稳后的耗散结构，分析它与热流体波的区别，认知耗散结构的基本特征；探索改善Cz法单晶体材料生产过程的合理途径。本研究对于深入认识这种对流具有十分重要的学术价值，也对改善单晶体材料生长等工业过程具有重要的指导意义。

项目通过实验观测结合数值模拟和线性稳定性分析方法，以外环加热、内环受冷的环形池内硅油和硅熔体热毛细对流为研究对象，主要研究了环形池旋转对热毛细对流稳定性的影响，重点分析了旋转系统热毛细对流失稳的物理机理和失稳后热毛细对流耗散结构的基本特征。通过研究，我们发现了轴对称稳定热毛细对流时的多圈同心圆环形静止波纹，首次观察到了旋转系统下热毛细对流失稳后沿周向传播的螺旋形波纹，观察和测量了环形池旋转对这些波纹的波动特征的影响。随着转速的增大，温度波动振幅减小，而频率增加。随着内外环间温差的升高，振幅增加，频率上升。对1cSt硅油，热流体波的传播方向不但与液池的旋转方向有关，还与内外环间的温差有关：超过临界温差不远时热流体波的传播方向与液池的旋转方向相反，提高温差其传播方向转变为与液池旋转方向相同，提高转速又使传播方向转变为与液池旋转方向相反。实验和数值分析确定了热毛细对流失稳的临界条件，分析了旋转对临界条件的影响，结果发现：低速旋转使热毛细对流更容易失稳，而较高速度的旋转使热毛细对流更稳定。其物理机理在于：旋转导致的科氏力使热毛细对流产生周向扰动，从而使热毛细对流更容易失稳；而离心力使热毛细对流沿径向分布更均匀，从而使热毛细对流更稳定。旋转使热毛细对流涡胞发生分裂，从而增强热毛细对流的周向扰动，使热毛细对流的稳定性陡然下降，从而使稳定曲线分为多个分支。内环加热时，旋转对热毛细对流稳定性的影响也存在一个转折点，波纹的传播方向与液池的旋转方向相反，波纹主要分布在内环附近。数值模拟了硅熔体和0.65cSt硅油的浮力-热毛细对流，发现浮力使硅油热毛细对流更稳定，而使硅熔体热毛细对流更容易失稳。通过这些研究，取得的主要创新成果包括：首次观察到旋转系统下热毛细对流失稳后热流体波的特征，阐明了旋转对热毛细对流稳定性的影响及其物理机理，系统地分析了环形池旋转对热毛细对流的影响。研究不但对于丰富和发展旋转系统热毛细对流稳定性理论具有重要的学术价值，也对改善Cz法单晶体材料生产等工业过程具有重要的指导意义。至此，项目的主要研究内容已经完成，在国内外学术期刊发表论文6篇，其中SCI论文3篇，EI论文2篇，国内核心期刊论文1篇（EI刊源，已录用），国际学术会议论文4篇论文，博士后出站1名，培养和协助培养博士和硕士研究生5名，获新型实用专利授权2项，完成了项目计划书拟定的研究目标。