微重力环境中磁场作用下高Pr数流体液桥热毛细对流研究

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浮区法(Floatingzone method)无坩锅容器接触可避免坩埚污染,是一种重要的高纯度晶体生长技术。微重力环境下,浮区法可以避免重力场的影响,突破生长晶体尺寸的限制,使得生长更大尺寸、更高质量的单晶成为可能。然而,微重力环境下的浮区法晶体生长中,热浮力流随着重力减弱而极度衰减,热毛细对流成为熔体中的主要流动方式,其对生长晶体的质量具有关键性的影响。因此,控制热毛细对流以改善熔体的流场和温度分布具有十分重要的意义。  本文以浮区法对流的典型模型—半浮区(Half-zone)液桥模型为研究对象,采用数值计算的方法对微重力环境下高Pr数流体液桥热毛细对流特性及其外加磁场对热毛细对流的控制作用进行了研究。本文在交错网格上求解N-S方程及与其耦合的能量方程,采用质量守恒的Level Set方法追踪两相界面,实现了大密度比及粘度比条件下高Pr数流体热毛细对流数值模拟。本研究首次在高Pr数流体液桥热毛细对流研究中考虑了液桥自由表面变形和液桥周围气相的影响效果。本研究涉及不同强度的轴向均匀磁场、横向均匀磁场对液桥内流动结构和温度场的影响。数值计算结果表明,由于半导体熔体具有良好的导电性,外加磁场成为一种控制熔体对流的有效手段。轴向均匀磁场主要抑制熔体的径向流动,因此,热毛细对流在径向不能穿透液桥而局限于自由表面附近的区域,此时液桥中心区域的对流非常弱,且这个区域随着磁场强度的增强而增大。关于0.5T均匀轴向磁场下的5 cSt硅油液桥热毛细对流研究表明,当t=200时液桥内热毛细对流达到稳定状态,对流的最大流函数值维持在7×10-3附近,无量纲速度可以达到1.06×10-3。另外,横向均匀磁场也可以有效地抑制熔体轴向热毛细对流,随着横向磁场强度的增强晶体生长界面形状趋于平坦,液桥的自由表面变形幅度减小。
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