环形双组分液池内耦合热-溶质毛细对流稳定性及耗散结构研究

以Czochralski晶体生长过程中的热物理问题为研究背景，基于非平衡热力学理论，采取理论分析、数值模拟与实验观测相结合的方法研究环形双组分液池内耦合热-溶质毛细对流的稳定性及耗散结构。首先，采用渐近匹配展开法和数值方法获取稳态流动解，分析各种参数对稳态流动结构的影响；然后，根据线性稳定性理论分析流动失稳的临界条件及失稳的基本特征，探讨流型转变时的分叉与滞后特征，揭示流动失稳的物理本质；同时，采用三维直接数值模拟获取远离临界点时的速度场、温度场和浓度场的演变规律，揭示三维耗散结构的形成机制，分析影响三维耗散结构的主要因素；最后，进行系统的实验观测，并与理论分析和数值模拟结果进行相互验证、比较和补充。本项目对于丰富和发展双组分液池内耦合热-溶质毛细对流理论具有重要理论意义和科学价值，并可望在表面张力梯度驱动的非平衡动力学体系内耗散结构的形成机制方面获得创新性的理论成果。

以Czochralski 晶体生长过程中的热物理问题为研究背景，基于非平衡热力学理论，采取理论分析、数值模拟与实验观测相结合的方法研究环形双组分液池内耦合热-溶质毛细对流的稳定性及耗散结构。主要结论如下：（1）采用渐近匹配展开法获得了液池中心区域速度、温度和浓度分布的近似分析解，分析表明，当热毛细力、溶质毛细力和浮力方向相同时，流动增强；当两侧壁有浓度差时，耦合热-溶质毛细对流占据主导地位；对大多数双组分溶液而言，Soret效应较小。（2）当热毛细雷诺数较小时，环形液池内耦合热-溶质毛细对流为稳定的轴对称流动，当雷诺数超过某一临界值时，稳态的热-溶质毛细对流会转变为非稳态流动。流动转变的临界热毛细雷诺数随液池深宽比、半径比以及工质普朗特数增加而减小。当刘易斯数大于1时，临界热毛细雷诺数随刘易斯数的增大而减小，而小于1时，随刘易斯数的增大而增加。（3）在毛细力比为-1的特殊条件下，当热毛细雷诺数较小时，存在无流动的静止状态。随着热毛细雷诺数的增加，流动依次分叉为三种不同的振荡流型，即周向运动波、组合的运动波与驻波、以及振荡轮型。周向运动波和组合的运动波与驻波的频率都会随热毛细雷诺数单调增大，而波数与热毛细雷诺数无关；然而，对于振荡轮型，很难确定其基本频率，但整个流场在空间上表现为对称分布的4个“花瓣”型。（4）在不存在径向浓度梯度的二元混合溶液中，热毛细雷诺数的增加也会由于Soret效应诱导浓度梯度，当流动转化为三维振荡流动后，也可观察到与温度波动类似的浓度波动，但无因次浓度波动幅度远小于温度波动幅度。Soret效应会使混合溶液中的流动转变的临界热毛细雷诺数减小。（5）当环形液池内仅存在径向浓度梯度时，若溶质毛细雷诺数超过某一临界值，纯溶质毛细对流也会转变为三维振荡流动，自由表面浓度波动型式与热毛细对流中的热流体波类似。（6）可视化实验观察到了数值模拟预示的几乎所有流型，模拟得到的流型转变临界热毛细雷诺数与实验结果吻合较好。