重力颤动与磁场耦合作用下高Prandtl数流体热毛细对流研究

全面考虑重力颤动、磁场、熔区内外流动、传热和自由面变形因素，深入研究高Pr数液桥热毛细对流转涙过程和振荡机理。首先，开发一种质量守恒Level Set法和一种捕捉任意微小尺度自由面迁移新算法，将两种新算法应用于申请人已为日本宇航局开发的重力颤动作用下等温液桥自由面振荡模拟软件平台，比较数值与地面实验结果，验证模型的有效性。在此基础上，构筑重力颤动作用下高Pr数液桥热毛细对流模型，结合日本宇航局2009年国际空间站实验结果，对目前尚未取得共识的高Pr数液桥热毛细对流振荡机理模型进行验证，揭示热角区温度、速度和自由面变形在时间上是否有位相差，如何激发热毛细振荡对流的发生。最后，建立重力颤动与磁场耦合作用下高Pr数液桥热毛细对流模型， 研究利用磁场抑制熔区内流体运动的有效性。解决空间浮区法中改善晶体质量的一系列理论问题，为建立真实空间晶体生长环境下的高Pr数流体热毛细对流模型奠定理论基础。

高Pr数流体液桥热毛细对流是浮区结晶法生长体单晶的重要理论基础，国内外对这一问题高度重视。本研究针对高Pr数液桥热毛细对流存在的理论与实践问题，开展了一系列深入研究。主要包括几个方面：（1）提出了一种可以俘获液桥自由面任意微小位移的新算法，开发了一种质量守恒运动界面跟踪方法，解决了国内外液桥自由面变形数值模拟的瓶颈问题，理论上体积守恒精度可以接近100%；（2）开展了液桥自由面振荡实验研究，发现表面振动、内部流动与温度振动之间存在着三角耦合关系；（3）开展了重力颤动作用下高Pr数液桥热毛细对流研究，获得了液桥表面的振荡特性及内部流动结构，并首次发现当外加振动的频率为液桥反响频率时，该外加振动完全控制了液桥表面的振荡过程；（4）关于静态磁场对硅油基铁磁流体热毛细对流影响的研究，揭示了静态磁场对热毛细对流的抑制规律。上述研究证实了Ostrach等提出的“速度、温度、自由面变形的耦合作用” 这一热毛细对流振荡机理新模型，为建立高Pr数流体热毛细对流模型奠定了理论基础。取得了一项有特色的“高Pr数液桥热毛细对流数值模拟软件V1.0”软件著作权。