254 / 2019-09-23 12:27:46

普朗特数对环形液池内热毛细对流不稳定性及失稳机制的影响

热毛细对流，线性稳定性分析，环形液池

计算流体力学、多场耦合、生物力学、动力学等 > 计算流体力学

热毛细对流对微重力环境下晶体生长的质量有着重要的影响。在微重力环境下，由于重力和浮力的极度衰减，热毛细对流成为主导熔体内传热传质的主要对流。热毛细对流的失稳产生非定常的三维振荡对流，其将导致晶体产生条纹缺陷。因此，研究热毛细对流的稳定性对于改善晶体生长的质量有重要意义。
基于液桥模型的研究表明，普朗特数对热毛细对流不稳定性及失稳机制有着重要的影响。本文针对环形液池模型，通过基于谱元法的线性稳定性分析，研究了普朗特数对热毛细对流不稳定性的影响，并利用扰动能量分析讨论了相应的失稳机制。结果显示，随着普朗特数的增加，流动存在5种类型的失稳，如图1所示。能量分析表明：I型不稳定性是由于水动力学的惯性机制造成的振荡失稳；II型不稳定性是由于热毛细机制引起的静态失稳；III型不稳定性是由于热毛细机制造成的振荡失稳；IV型不稳定性是由于惯性机制和热毛细机制共同作用造成的热液波失稳；V性不稳定性是由于热毛细机制引起的热液波失稳。特别地，在1.4≤Pr≤1.53这一过渡区域，由于惯性机制和热毛细机制的相互竞争和影响，随着Ma数的增加，流动会在轴对称定常流动状态和三维振荡流动状态之间发生三次转变。