液层内Marangoni-热毛细对流的复杂特性研究

With the development of the advanced technology, numerous new research subjects which are difficult to be explained by the traditional theories on the interface and thermocapillary convection have been proposed, accompaning by novel interface phenomenon and thermocapillary convection processes emerging. One exceptional potential subject, the coupling of Marangoni convection and thermocapillary convection in a liquid layer, has been chosed in this project. The numerical simulation incorporating with theoretical analysis and experimental study will be adopted. At first, we will identify the complex properties of the Marangoni-thermocapillary convection due to the synergy of the normal and tangent temperature differences. Furthermore, the insights will be gained into the mechanism of transform and evolution among different dissipative structures during the unstable flow. More importantly, the interplay of surface wave and thermal liquid wave will be explored. Meanwhile, the coupling rules will aslo be proclaimed in which the thermal convection in a liquid layer is influenced by geometrial factors, surface distortion and surface evaporation. Finally, we will highlight the generation mechanism and translation rule of the two typical dissipative structures, the Benard flow and thermal liquid wave. It is expected to develop or propose the new dissipative structure theory of the complicated flow in a liquid layer, and extend the research field of the thermocapillary convection in theory. We also forsee that this subject will provide the theoretical guidance of designing and regulating the flow control devices in engineering.

自然界和工程技术领域，存在着各种复杂的界面现象和热毛细对流。近年来，随着现代高新技术的发展，出现了大量新的界面现象和热毛细对流过程，提出了一系列传统的界面理论和热毛细对流理论无法解释的新的研究课题。本项目即针对有着重要应用背景的前沿课题- - "液层内Marangoni-热毛细对流的耦合作用"为研究对象，借助数值模拟、理论分析和实验研究，认知法向温度梯度和切向温度梯度耦合作用下的Marangoni-热毛细对流的复杂特性；解释流动失稳后不同耗散结构相互转换、演变的机理；探明表面波和热流体波的相互作用规律；掌握几何特征、表面变形和表面蒸发等对液层内耦合热对流的调控机制。旨在揭示两种典型的耗散结构：Benard流胞和热流体波的形成机理及其相互转化规律。本项目从理论上可发展液层内复杂流动的耗散结构理论、拓展热毛细对流的研究领域，从工程实践上可为流控器件的设计和调控奠定坚实的理论基础。

在自然界和各类工程技术领域中，界面现象十分普遍，而由双向温度梯度的共同作用而驱动液层内流体流动的现象广泛存在。由于界面切向温度梯度和法向温度梯度诱导流体流动的物理机制和失稳机理有所不同，在先前的研究中，往往只考虑了单一方向温度梯度的作用，而针对双向温度梯度作用下的Marangoni-热毛细对流尚未进行系统性研究。基于上述情况，本项目采用以数值模拟方法为主，理论分析和实验为辅的研究手段对双向温度梯度作用下环形液池、矩形液池和Cz结构内不同流体的复杂流动进行了系统性的研究工作。结果表明，当流动处于稳定状态时，不论是单独增加切向温度梯度或是法向温度梯度，当其超过一定临界值时均会使得流动失稳。另外，当Marangoni-热毛细对流由界面切向温度梯度所主导时，表现为界面上切向热毛细力的方向不会发生改变；随着法向温度梯度的增加，其对流动的影响也在不断增强，而当Marangoni-热毛细对流逐步过渡为由界面法向温度梯度所主导时，界面上则会出现反向的切向热毛细力。在此过程中，由于双向温度梯度的作用，自由表面上的流型变得更加丰富。以环形液池内的硅熔体为例，通过进一步研究还发现，当浮力、旋转离心力和Coriolis力以及洛伦兹力介入后，通常来说，流动的稳定性会提高，但外力的介入对Marangoni-热毛细对流是否由切向或法向温度梯度主导影响不大。本项目的研究成果对于拓展热对流理论和指导工业生产单晶硅等都具有十分重要的理论价值。