多物理过程与界面动力学耦合的界面传质毛细对流振荡失稳机理及控制

With the rapid development of aerospace technology, the transport mechanism of thermodynamics and the interface dynamics on the capillary convection in microgravity or zero-gravity environment has become one of the hot topics in space science. The project will apply the lattice Boltzmann method to systematically investigate the coupling transport process of multiple physics and interface dynamics in capillary convection with interface mass transfer at mesoscopic scale, including: Developing multicomponent/multiphase together with magnetic thermal lattice Boltzmann method, then analyzing and validating them by operating experimental study; Analyzing and researching the effect of interface deformation, physical parameters, surface wettability and roughness, Soret and Dufour phenomena on the interface mass transfer, capillary convection and interface stability; Analyzing the relations between different situations for the capillary instability, and giving the corresponding criteria for the critical parameters in capillary instability; Researching the effect of external magnetic field on oscillation of interface mass transfer in multilayer capillary convection to reveal the mechanism of microscopic transport process under different conditions. The research of this project can have the significant guidelines on the crystal growth and thermal management in space.

随着航空航天技术的快速发展，微重力或零重力环境下毛细对流的热力学及界面动力学输运规律研究是当前空间科学领域的热点课题之一。本项目利用格子Boltzmann方法在介观尺度上研究微重力环境下多物理过程与界面动力学耦合的界面传质毛细对流微观输运机理，包括：发展多组分/多相流和磁流体热格子Boltzmann模型,开展相关实验分析并验证其合理性；研究和分析相界面动态变化、表面润湿性和粗糙度及Soret和Dufour效应等对界面传质过程、毛细对流稳定性及界面动力学的影响；分析溶质-热毛细对流动态失稳特性之间的关联，分析产生失稳影响因素中的主要关键特征参数；通过外加磁场对界面传质过程多层毛细对流振荡失稳的抑制过程研究，揭示不同条件下多层流体毛细对流的微观输运机理。本项目的研究可以对涉及这一基本问题的晶体增长和空间热管理等方面均具有指导意义。

晶体材料由其独特的光、声、电、磁、热等形式的能量相互作用与转换的物理特性，在航空航天、能源与环境以及军事技术等众多领域中得到应用并受到世界各国广泛关注，特别是制造高精密的电子元件方面, 高性能的晶体材料尤为重要。本课题主要研究了如下四个方面：(1) 多组分多相流格子Boltzmann方法研究；(2) 流体相界面不发生动态变形的多组分多层毛细对流研究;(3) 流体相界面动态变形对界面传质过程及流体振荡过程影响；(4)多物理场耦合的热溶质毛细对流研究。结果表明：对于基于相场理论来研究N组分不相溶流体时，广义的Allen-Cahn方程的形式至关重要。通过理论分析，不满足减少一致性原理的广义Allen-Cahn方程在捕捉各流体相时会产生虚假流体相分布，而满足减少一致性原理的可以有效避免该问题。同时，发展了相应的格子Boltzmann模型，成功捕捉了经典不相溶的多组分多相流问题；基于监测点流体物理量的频谱分析，研究了液封对熔体毛细对流稳定性和流动强度的影响。液封对界面流动既能产生抑制作用，也能表现促进作用。不同物性参数比也对毛细对流的振荡及流型转捩产生影响；不同的浓度边界条件对流体界面处的毛细对流具有显著的作用，壁面的润湿性对界面形状影响较大而对流动强度作用并不明显。较高的液封粘度能够抑制毛细对流的强度和界面的变形，使流动稳定性提高。温度梯度和浓度梯度作用方向对毛细对流强度和稳定性产生不同的影响；多场耦合情况下，研究了磁场强度和方向对流场、温度场/浓度场以及系统传热传质等的影响。在低Marangoni数时，系统的平均Nuave与Shave受磁场强度与磁场角度的影响较小。在高Marangoni数时，磁场明显削弱Marangoni对流且系统的平均Nuave与Shave会随着Ha数的升高而下降；当磁场方向与水平夹角的变大时，系统的平均Nuave与Shave随之降低。