文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123467
旋转对环形浅液池热毛细对流稳定性影响的实验研究基金项目:国家自然科学基金项目(50976128,51176210), 中国博士后基金特别资助项目(201003309)
王瑜1,石万元1, 2
(1. 重庆大学动力工程学院,重庆 400044
2. 重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044)
(Tel:023-65105216, Email:******@cqu.)
摘要:为了了解环形池旋转对热毛细对流的影响,采用阴影法观察了外半径Ro=40mm、内半径Ri=20mm、液层深度H=1mm、沿顺时针方向旋转的环形池内硅油热毛细对流的特征。测量了两种硅油在不同转速下发生热流体波的临界温差,观察了旋转对热流体波的影响,结果发现:,当转速低于3rpm时,环形池内分布着周向传播方向相反的两组热流体波;当3rpm ≤n≤6rpm时只有一组沿顺时针方向传播的波;当n≥7rpm时靠近内环附近产生另一组沿逆时针方向传播的波。对1cSt的硅油,在略低于临界温差时靠近外环附近会出现多圈同心圆结构的静止波纹;超过临界温差较小时热流体波沿逆时针方向传播,随着温差的增加部分或全部转变为沿顺时针方向传播的波。究其原因,热流体波的周向传播方向与波的周向传播速度和热毛细对流周向速度的相对大小有关:当波的传播速度小于热毛细对流周向速度时,热流体波的周向传播方向与液池的旋转方向相反;反之,则相同。而波的传播速度与内外环间所施加的温差有关。
关键词:旋转,热流体波,实验,热毛细对流
0 前言
由于气液界面温度不均匀引起表面张力不均匀,从而驱动流体流动,产生热毛细对流,当温度梯度较大时会导致热流体波的产生。这种现象在熔融法半导体单晶体材料生长、薄膜喷涂等过程中广泛存在[1]。Smith和Davis[2]用线性稳定性分析研究了无限大液层内的热毛细对流,预测了热流体波不稳定现象,此后许多报道都证实了热流体波的存在。Schwabe[3,4,5]等测量了不同厚度下环形池内热毛细对流失稳的临界温差,发现重力对热流体波的产生具有较大的影响;Garnier[6,7]等通过阴影法观测到浅液池内热毛细对流失稳后产生的螺旋状热流体波,波的形态和传播特征与Smith和Davis分析的一致;Wakitani[8]等也观测到了热流体波,并发现随着液层厚度的增加热流体波向多胞模型转变的现象;石万元[9]等实验观察到静止环形池内的热流体波;胡良[10]等观察到中心圆柱加热情况下环形池中的热流体波。
在直拉法单晶体材料生长过程中,坩埚往往以一定的速度旋转,旋转对熔体热毛细对流的影响吸引了不少研究者的注意。[11],实验测量了表面温度波动,发现在转速小于3rpm时波的传播方向与坩埚的旋转方向相同,转速大于3rpm时波的传播方向和旋转方向相反。Shi[12],发现旋转使流动更容易失稳。Li[13]等数值模拟了旋转对环形浅液池内硅熔体热毛细对流的影响,发现流动失稳后首先出现第一类热流体波,随着温差的增加转化为第