磁场对双层流体热毛细对流的影响

论文摘要

由于双层流体交界面上温度分布不均匀导致表面张力梯度的存在,从而驱动流体流动形成热毛细对流,也称为Marangoni对流。这一对流可能导致许多不期望的结果,如晶体生长的不均匀性。磁场与导电流体相互作用,在流体内部产生洛仑兹体积力,因此,通过外部磁场来非接触性地控制流体流动是一种有效的方法。本文建立了磁场作用下,水平温度梯度驱动的双层流体热毛细对流的物理模型和数学模型,采用有限容积法对零重力条件下的热毛细对流进行了数值模拟。结果证实了外加磁场能够削弱上下层流体中的热毛细对流,减弱热流体波的不稳定性。为了调查双层流体系统中热毛细对流的流动特性,本文开展了以下几方面的研究:首先,数值研究了不同方向均匀磁场对双层流体热毛细对流发展的影响,总结了磁场对热毛细对流发展的影响规律。在下层流体热毛细对流的发展中,施加y、z方向磁场可以起到延缓其对流的发展的作用,但施加x方向磁场却加速了其发展。不同方向的磁场均能减小热毛细对流的对流强度,因此,加x、y和z方向磁场均能够延缓上层流体中的热毛细对流的发展。其中,z方向磁场对热毛细对流的抑制作用最强,x方向次之,y方向磁场的抑制作用最弱。此外,当z方向的磁场强度Bz大于0.15T时,磁场能够对热毛细对流产生足够强的抑制作用。其次,数值研究了不同大小和方向的均匀磁场对热流体波不稳定性的影响,得出了外部磁场对热流体波不稳定性振荡周期、温度波动振幅的影响规律。施加x方向磁场时,随Hartmann数的增大,振荡周期逐渐增大,而振幅是先略微增大后逐渐减小;施加y方向磁场的振荡周期随Hartmann数先略微减小后逐渐增大,而振幅随Hartmann数的增加又略微增大后逐渐减小;施加z方向的磁场时,振荡周期和振幅随Hartmann数的增加分别增大和减小。通过比较发现,z方向磁场对热流体波不稳定性的抑制效果最好,y方向次之,x方向磁场抑制效果最差。最后,数值研究了水平和垂直方向磁场对热毛细对流自由表面变化的影响,结果显示,磁场能够延缓和抑制自由表面的变形,其变形率随着磁场的增强逐渐减小。当磁场较小时,垂直磁场的抑制效果较好;而当磁场较大时,水平磁场的抑制效果较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 热毛细对流的概念
• 1.3 双层流体系统热毛细对流
• 1.3.1 双层流体热毛细对流的实验研究
• 1.3.2 双层流体热毛细对流的理论分析
• 1.3.3 双层流体热毛细对流的数值模拟研究
• 1.4 热毛细对流的不稳定性
• 1.5 外部磁场对导电流体的效应
• 1.6 运动界面的捕获
• 1.7 本文研究主要内容
• 1.8 本文的创新点
• 第二章 物理数学模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 物理模型及相关假设
• 2.3 数学模型
• 2.3.1 边界条件
• 2.3.2 表面张力的求解
• 2.3.3 自由表面感应磁场的边界条件
• 2.4 无量纲参数
• 2.5 计算方法
• 2.6 计算模型验证
• 2.6.1 固定界面热毛细对流模型的验证
• 2.6.2 自由表面计算模型的验证
• 2.7 本章小结
• 第三章 磁场对双层流体热毛细对流发展影响的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 计算网格与边界条件
• 3.3 计算结果及分析
• 3.3.1 无磁场时热毛细对流的发展
• 3.3.2 x 方向磁场对热毛细对流发展的影响
• 3.3.3 y 方向磁场对热毛细对流发展的影响
• 3.3.4 z 方向磁场对热毛细对流发展的影响
• 3.3.5 磁场对热毛细对流温度场的影响
• 3.3.6 磁场对下层流体速度分布的影响
• 3.4 结论
• 第四章 磁场双层流体热毛细对流不稳定性影响的数值研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型及条件
• 4.3 计算结果与分析
• 4.3.1 无磁场时双层流体热毛细对流不稳定性
• 4.3.2 x 方向磁场对热毛细对流不稳定性的影响
• 4.3.3 y 方向磁场对热毛细对流不稳定性的影响
• 4.3.4 z 方向磁场对热毛细对流不稳定性的影响
• 4.3.5 不同方向磁场对热毛对流不稳定性影响的比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 磁场对双层流体热毛细对流自由表面变形的影响
• 5.1 引言
• 5.2 网格划分及计算条件
• 5.3 计算结果与分析
• 5.3.1 磁场对自由表面的影响
• 5.3.2 磁场对流场的影响
• 5.3.3 不同磁场下的洛仑兹力分布
• 5.3.4 不同磁场下的感应电流分布
• 5.3.5 不同磁场下的感应磁场分布
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表论文