微重力环境下浮区耦合热-溶质毛细对流不稳定性研究

Thermo- and solutocapillary convection in floating zone under microgravity condition contains complex fluid dynamics and heat and mass transfer process. At present, study on flow instability mechanism, dynamic rules of evolution and free surface oscillation is still not sufficient. Therefore, the flow instability of coupled thermo- and solutocapillary convection will be investigated by numerical simulations and some experiments in the subject. A numerical simulation code of multiphase and multi-species of free surface flow based on Level set method will be developed. The generation condition, form mechanism and three-dimentional space-time evolution characteristics of the coupled thermo- and solutocapillary convection will be investigated, and the effects of ratio of thermal Marangoni number to solutal Marangoni number, aspect ratio, volume ratio and Pr number on critical Marangoni number，unstable flow mode and oscillation of free surface will be revealed. Furthermore, the effect of residual gravity and gravity jitter on critical Marangoni number, flow characteristics and free surface oscillation also will be studied, and the effect of aspect ratio, volume ratio and Pr number on resonance frequency of the floating zone will be analysed. All these investigations will provide theoretical guidance for crystal growth process under microgravity environment.

微重力环境下浮区耦合热-溶质毛细对流蕴含着丰富的流体动力学行为及复杂的热质传输过程。由于目前对流动的失稳机制、演化动力学规律、自由表面振荡特性等研究还不充分，本项目拟以数值模拟为主结合一定的实验，对微重力环境下浮区耦合热-溶质毛细对流问题进行研究。发展基于Level set方法的多相多组分自由表面流动数值模拟程序，研究微重力环境下浮区耦合热-溶质毛细对流不稳定性的产生条件、形成机制和三维时空演化特征，揭示热Marangoni数与溶质Marangoni数比值、几何比、体积比和Pr数等对耦合热-溶质毛细对流失稳的临界Marangoni数、失稳模态及自由表面振荡的影响规律；研究残余重力和重力跳动对浮区耦合热-溶质毛细对流失稳的临界Marangoni数、失稳模态及自由表面振荡的影响，分析几何比、体积比、Pr数等对浮区共振频率的影响。本项目的顺利实施将为空间微重力环境下晶体生长提供理论指导。

本项目以微重力环境下浮区内耦合热-溶质毛细对流流动特性问题为研究对象，采取实验研究和数值模拟相结合的方法研究流动失稳机制、演化动力学规律及自由表面变形特征等，获得了耦合热-溶质毛细对流的流动特性及自由表面变形规律，揭示了流动场、温度场、浓度场和自由表面形态演变之间的耦合关系，研究成果对于指导微重力环境下晶体材料的生长具有重要的意义。所得到的主要结论如下：（1）基于Level set界面追踪方法建立了微重力条件下浮区耦合热-溶质毛细对流的数学模型，发展了一套浮区耦合热-溶质毛细对流的数值计算程序，能够精确模拟浮区耦合热-溶质毛细对流流动特性。（2）在浮区耦合热-溶质毛细对流流动中，当热Marangoni数与溶质Marangoni数比值为-1时，自由表面的变形幅度非常之小。当热Marangoni数与溶质Marangoni数比值小于-1时，浮区自由表面在浮区底部凸起，而在上部凹陷；随着热Marangoni数与溶质Marangoni数比值减小自由表面变形幅度增大。当热Marangoni数与溶质Marangoni数比值大于-1时，自由表面在浮区上部凸起而在下部凹陷，且随着热Marangoni数与溶质Marangoni数比值增大自由表面变形增大。（3）浮区耦合热-溶质毛细对流不稳定性是由流场、温度场、浓度场及自由表面变形相互耦合所致，其内部存在周期性的对流涡迁移，温度场表现出周期性的振荡。（4）残余重力水平在一定范围内对浮区耦合热-溶质毛细对流不稳定性具有抑制作用，而重力颤动能够改变浮区耦合热-溶质毛细对流的振荡特性。（5）揭示了液池耦合热-溶质毛细对流自由表面的演变过程，即随着时间发展变形幅度增加且波峰逐渐向左侧迁移；当自由表面变形达到最大值之后变形幅度逐渐减小，并回复到近似初始状态。