IMECH-IR  > 国家微重力实验室
浮力-热毛细对流温度和自由面耦合问题的实验研究
Alternative TitleExperiment Study on the Coupling Problem of Temperature Oscillation and Free Surface Displacement Oscillation of Buoyancy-thermocapillary Convection
张迪
Thesis Advisor段俐
2016
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype硕士
Degree Discipline一般力学与力学基础
Abstract自然对流是一种常见的传热传质的方式,是与人们生产、生活中自然现象广泛联系的一种流体运动形式,地面上最经典的自然对流是平板之间的Rayleigh-Benard对流,它是一种由于流体的浮力作用所驱动的对流。而在微重力环境中,自然对流的主要形式是热毛细对流,它是一种由自由界面处的表面张力不均匀所驱动的对流。对它的研究促进了热毛细对流体系的非线性理论、流动稳定性以及转捩过程等基本理论的深入理解和认识。同时随着载人航天活动的不断进展和对空间材料加工的极大兴趣,使得对于常出现在晶体生长过程和薄膜制备过程中的热毛细对流的研究成为必然。本文对环形液池模型在水平径向温度梯度作用下产生的浮力-热毛细对流进行研究,它属于“实践十号”返回式科学实验卫星项目“热毛细对流表面波空间实验研究”的地面研究工作。 环形液池热毛细对流是工业上提拉法晶体生长的流体实验模型。本文的环形液池浮力-热毛细对流的实验研究系统包括实验模型、温度控制系统、温度测量系统、自由面位移测量系统和数据处理平台五个部分。采用T型热电偶测量液层内部单点温度信号,高精度CCD位移传感器测量单点的自由面位移变化,实现了对微弱信号温度和自由面位移的同时测量。实验发现,当冷热端温差比较小时,液池中流体呈现出定常流动的状态,当作用温差达到某一临界值时,流动转变成振荡状态。振荡开始时,表现为规则的周期振荡。随着冷热端作用温差的持续增加,振荡会愈发地不规则,最后进入到近似随机的混沌状态。流体液层流动状态从稳定到混沌的整个演变过程就是热毛细对流的转捩过程。 本文着重研究了浮力-热毛细对流由定常流向振荡流转捩的临界条件。选用KF96系列的1.5cSt硅油和2cSt硅油作为实验介质,同时测量温度信号和自由面位移信号,获得了不同实验工况下出现温度振荡和自由面振荡的临界起振温差,通过数据处理从频谱特性、无量纲参数等方面对流动的失稳过程进行了详细的分析和讨论。结果表明,临界起振温差随着液层厚度的增加呈先减小后增大的趋势,在薄液层情况下受到弯液面的影响,随着厚度的持续增大更难起振;临界Ma数在Bo数小于0.6时接近线性增大,此时浮力起稳定流场的作用,Bo数超过0.6时,临界Ma数呈上扬的趋势,浮力加速流动失稳。在许多情况下,二者的临界起振点是不同时的,一般是自由面振荡早于温度振荡,这说明自由面振荡是比内部温度更明显的物理量。 通过观测各种稳态条件下热毛细对流液层中温度振荡状态的演变过程,获得了一种丰富而有趣的转捩途径。采用阶梯式升温方式,测量1.5cSt硅油2mm液层厚度下的温度信号,发现浮力-热毛细对流在经过一次转捩之后进入到周期振荡、二频准周期振荡状态,然后经历了锁频现象,导致流体层中出现多个频率的振荡信号互相耦合,在锁频解除后,又进入到二频准周期的振荡状态。对阶梯式升温和线性升温的2cSt-2mm工况下的温度结果进行时频分析,得到了周期振荡、二频准周期分岔的振荡状态,由于实验条件的限制,目前尚未得到更多的有效数据,有待进一步研究分析。
Call Number31347
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59430
Collection国家微重力实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
张迪. 浮力-热毛细对流温度和自由面耦合问题的实验研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.
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