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试析对流双层流体热毛细—浮力对流不稳定性与外部磁场主动制约

收藏本文 2024-04-12 点赞:13832 浏览:51258 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:热毛细对流是由于流体交界面温度分布不均匀引起的表面张力梯度驱动的流体流动,也称为Marangoni对流。这一对流广泛有着于晶体生长、铸造、镀膜等历程,其不稳定性可能导致许多不期望的结果,如晶体生长的不均匀性。本论文以大尺寸晶体生长历程中双层流体内的流动不稳定性为探讨对象,探讨了双层流体热毛细-浮力对流不稳定性的产生条件、演化机理及其磁场主动制约规律;同时,探讨了外部磁场对晶体生长历程中热质传输特性的影响规律。探讨内容及获得的探讨结果如下:首先,通过数值模拟探讨了环形液池内双层流体热毛细-浮力对流不稳定性的产生条件、演化机理及其磁场主动制约规律。探讨发现,热毛细对流不稳定性的扰动产生于内壁面区域,并沿着温度梯度方向传播;液池深径比对热毛细-浮力对流具有重要影响,当深径比为0.5时,双层流体热毛细-浮力对流不稳定性产生的临界Ma数为2.33×103。随着深径比减小周向温度波数先增大后减小,但周向速度的平均振幅逐渐增大;随着重力加速度的增大,由表面张力效应引起的扰动能能量减小,同时周向温度波数也逐渐减小。环形液池的旋转能够有效抑制热毛细对流不稳定性,其流动以非稳态振荡流转变为稳态对流。不同类型磁场均能抑制热毛细对流不稳定性,其中轴向磁场对热毛细-浮力对流的抑制效果最好,勾型磁场的抑制效果次之,水平磁场的抑制效果最差。其次,数值探讨了外部磁场对大直径单晶硅生长中热质传输特性及杂质分凝效应的影响。探讨发现,在轴向磁场和勾型磁场作用下,随着磁场强度增大,熔体内部氧浓度逐渐增大,熔体的对流结构逐渐趋于规则,且勾型磁场的抑制效果要好于轴向磁场。当运用旋转磁场时,晶体、熔体、坩埚三者同向旋转对晶体生长最有利。外部磁场能够有效改善晶体内部杂质的分布,水平磁场作用下杂质分布的梯度主要集中在晶体内部与磁场垂直的方向,而勾型磁场作用下杂质分布的梯度主要集中在晶体边缘,由此施加勾型磁场更有利于晶体生长。此外,进展了Level set策略模拟双层流体交界面的变形,探讨了双层流体热毛细-浮力对流自由界面变形的特点及磁场对热毛细-浮力对流的影响规律。探讨显示,在Marangoni效应的作用下,自由界面在热端凸起冷端凹陷;自由界面的变形率随Ma数和宽深比的增大而增大,随磁场强度和重力加速度的增大而逐渐减小。双层流体交界面与壁面的接触条件对交界面变形和流型结构具有重要影响。最后,采取剪切干涉法对矩形腔体内双层流体热毛细-浮力对流的温度场进行了验证实验,并采取代数重建算法对剪切干涉法获得的干涉图像进行了温度场的三维重建,重建结果与数值模拟结果吻合很好。关键词:热毛细对流论文环形液池论文双层流体论文磁场论文Level论文set论文策略论文剪切干涉法论文

    摘要4-6

    ABSTRACT6-8

    目录8-11

    图表清单11-16

    注释表16-17

    第一章 绪论17-35

    1.1 引言17-18

    1.2 热毛细对流的探讨近况18-32

    1.2.1 环形液池中热毛细对流的探讨近况19-23

    1.2.2 矩形液池中热毛细对流的探讨近况23-26

    1.2.3 液桥热毛细对流的探讨近况26-28

    1.2.4 变界面热毛细对流的探讨近况28-30

    1.2.5 磁场作用下晶体生长历程中热质传输特性的探讨近况30-32

    1.3 本论文的主要探讨工作32-33

    1.4 本论文的内容安排33-35

    第二章 环形液池内热毛细-浮力对流不稳定性及磁场的影响35-74

    引言35

    2.1 物理数学模型35-38

    2.2 计算策略38-39

    2.3 计算结果39-73

    2.3.1 温差对热毛细-浮力对流不稳定性的影响39-46

    2.3.2 重力加速度对热毛细-浮力对流不稳定性的影响46-50

    2.3.3 深径比对热毛细-浮力对流不稳定性的影响50-56

    2.3.4 液池旋转对热毛细-浮力对流不稳定性的影响56-60

    2.3.5 水平磁场对热毛细-浮力对流不稳定性的影响60-64

    2.3.6 轴向磁场对热毛细-浮力对流不稳定性的影响64-68

    2.3.7 勾型磁场对热毛细-浮力对流不稳定性的影响68-72

    2.3.8 不同类型磁场对热毛细-浮力对流抑制效果的比较72-73

    2.4 小结73-74

    第三章 磁场对晶体生长中热质传输特性影响的数值探讨74-98

    引言74

    3.1 物理数学模型74-77

    3.2 计算策略77

    3.3 计算结果77-97

    3.3.1 无磁场作用时晶体生长中的热质传输特性探讨77-80

    3.3.2 轴向磁场作用下晶体生长中的热质传输特性探讨80-85

    3.3.3 勾型磁场作用下晶体生长中的热质传输特性探讨85-90

    3.3.4 旋转磁场作用下晶体生长中的热质传输特性探讨90-93

    3.3.5 磁场对晶体生长中杂质分凝的影响93-97

    3.4 小结97-98

    第四章 基于Level set策略的变界面双层流体热毛细-浮力对流的数值探讨98-121

    引言98

    4.1 Level set策略及其求解历程98-101

    4.1.1 Level set策略98-99

    4.1.2 界面光滑99-100

    4.1.3 Level Set 等值面函数重新初始化100

    4.1.4 质量守恒重新初始化100-101

    4.1.5 Level Set策略求解双层流系统统不足的步骤101

    4.2 物理数学模型101-104

    4.3 数值策略104-106

    4.4 程序验证106

    4.5 计算结果106-120

    4.5.1 接触角恒定时矩形液池双层流体热毛细对流106-108

    4.5.2 接触点固定时矩形液池双层流体热毛细对流108-110

    4.5.3 不同交界面接触条件时界面变形率比较110-111

    4.5.4 宽深比对双层流体热毛细对流的影响111-112

    4.5.5 磁场对双层流体热毛细-浮力对流的影响112-115

    4.5.6 环形液池内双层流体热毛细-浮力对流的数值探讨115-120

    4.6 小结120-121

    第五章 剪切干涉法对双层流体热毛细-浮力对流的实验探讨121-146

    引言121

    5.1 实验原理121-126

    5.1.1 流体折射率与密度的联系121-122

    5.1.2 光线穿过非均匀密度场的变化122-123

    5.1.3 双光束干涉法的原理123-125

    5.1.4 有限宽条纹和无限宽条纹125-126

    5.2 实验设备126-130

    5.2.1 剪切干涉仪126-130

    5.3 实验结果及浅析130-138

    5.4 干涉图像三维温度场重建138-144

    5.4.1 断层成像技术138-140

    5.4.2 重建算法140-141

    5.4.3 重建算法程序的编写141

    5.4.4 多角度干涉图像141-143

    5.4.5 重建结果143-144

    5.5 误差浅析144

    5.6 本章小结144-146

    第六章 总结与展望146-148

    6.1 结论146-147

    6.2 主要革新点147

    6.3 展望147-148

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