基于主动温度梯度法控制表面张力驱动对流的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于温度梯度控制液池表面张力驱动对流的控制方法，具体是通过对液池中流体自由表面进行主动加热的方法，以削弱流体自由表面的温度梯度，从而达到减弱热对流强度的目的。
【背景技术】
[0002]表面张力驱动对流是由于流体自由表面温度分布不均匀引起的流体流动，其广泛存在于微重力环境、微尺度系统及晶体生长过程中的一种主要对流方式，是热对流的一种存在方式。其存在的环境及流动特点可概括如下:
[0003]在空间微重力环境中，由于重力场的消失，使得由表面张力驱动形成的热对流成为起主导地位的对流方式，因此，表面张力驱动对流的存在对空间微重力环境中的流体及热环境管理具有重要的影响。
[0004]在微尺度系统中，由于尺度的减小使得重力场驱动的对流消失，使得的表面张力效应凸显，即表面张力驱动对流占据主导地位，因此控制微尺度系统的表面张力驱动对流具有重要的意义。
[0005]在晶体生长系统中，坩祸壁面具有的温度超过2000K，在熔体和气体界面存在很大的温度梯度，因此导致表面张力驱动对流的对流强度较大；当熔体系统中的温度差大于临界值时对流发生失稳并出现振荡对流，从而使得晶体在生长过程出现裂纹并严重影响晶体的质量。
[0006]正因为以上特性，表面张力驱动对流是微重力环境、微尺度系统及晶体生长系统的不利因素之一，通常是通过外部施加磁场、扰流装置等手段来抑制流体对流。需要注意的是，施加外部磁场会使整个系统变得的异常复杂，且在微尺度系统中很难实现；而通过增加扰流装置则会破坏流场的对流结构。
[0007]可以看出，对表面张力驱动对流控制的方法是在流体系统以外增加相关设备对其控制，从目前的抑制效果来看其效果并不理想。为了尽量缓解或控制表面张力驱动对流的影响，必须通过其他技术手段来控制表面张力驱动对流的强度。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种基于主动温度梯度法控制表面张力驱动对流的方法，其可以有效地缓解流体的对流强度。
[0009]为实现上述目的，本发明提供的基于主动温度梯度法控制表面张力驱动对流的方法，是在液池内的流体自由表面引入局部加热源进行主动加热，以削弱流体自由表面的温度梯度，并通过此温度梯度的减弱以减小表面张力梯度的大小，从而有效削弱热对流的强度。
[0010]所述的方法中，局部加热源的加热时间为瞬态调整。
[0011]所述的方法中，通过局部加热源正下方流体自由表面监测点的温度进行控制，当监测点的温度达到T = 3/5* (TfT1)时停止加热；当监测点温度小于T = 3/5* (TJT1)时开始加热；其中=Ttl和T汾别为液池两侧壁面的温度。
[0012]所述的方法中，局部加热源为激光加热器。
[0013]本发明的优点在于:
[0014]1、通过对流体自由表面的温度梯度进行主动控制，在相同温度条件下热对流的最大涡量强度从58.2 (Ι/s)减小为40.6 (Ι/s)，减小幅度达30%，对流转为稳态对流；
[0015]2、不需要传统的通过施加外部磁场或其他接触式的方法来控制表面张力驱动对流，为流体系统中表面张力驱动对流的控制提供了一种新的方法。
【附图说明】
[0016]图1A是典型矩形液池的示意图。
[0017]图1B是在典型矩形液池中采用主动温度梯度法控制表面张力对流的方法示意图。
[0018]图2A是典型矩形液池中流涡分布示意图。
[0019]图2B是采用本发明方法的流涡分布示意图。
[0020]图3A是典型矩形液池中温度场分布示意图。
[0021]图3B是采用本发明方法的温度场分布对比示意图。
[0022]图4是本发明主动温度梯度控制与典型液池的流体自由表面分布对比曲线示意图。
[0023]附图中符号说明:
[0024]I典型矩形液池；2液池壁面加热热流；3流体自由表面；4局部加热源；5由局部加热源引入的流体自由表面加热热流。
【具体实施方式】
[0025]本发明提供了一种基于主动温度梯度法控制液体自由表面张力驱动对流的控制方法，使流体系统中的流体除了受到系统本身的温差作用外，还在流体自由表面引入局部加热热流进行主动加热，以削弱流体自由表面温度梯度。此温度梯度的减弱能够减小液体自由表面张力梯度的大小，从而有效削弱热对流的强度。
[0026]下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0027]需要说明的是，以下所述的左、右、上、下等均是以附图所示的方向为准。
[0028]请参见图1A，典型液池I (本实施例是以矩形液池为例)是通过其右侧的液池壁面加热热流2进行加热，典型矩形液池中流涡分布如图2A所示。
[0029]请结合图1B，本发明是在典型液池I基础上，在流体自由表面3的上方引入局部加热源4，对液体自由表面3进行辐射加热，在液体自由表面3产生由局部加热源4引入的加热热流5，使流体自由表面3除受到液池右侧壁面加热热流2的加热外，在流体自由表面3上方对液体自由表面进行辐射加热。局部加热源4可以采用激光加热器，局部加热源4的加热时间可以瞬态调整，并通过局部加热源4正下方的液体自由表面3监测点的温度来进行控制，当监测点的温度达到T = 3/5^(1^+1^)时停止加热；当监测点温度小于T =3/5*0^^时开始加热，其中Ttl为典型液池左侧壁面温度，T1为典型液池右侧壁面温度。通过局部加热源4的引入，可以有效减小右侧的液体自由表面的温度梯度，使得液体自由表面张力梯度减小，从而有效地削弱了流体的对流强度，采用本发明主动温度梯度法产生的流涡分布如图2B所示。
[0030]通过流体自由表面进行主动加热，液池右侧液体自由表面温度梯度显著减小，其流体对流强度与不采用控制时相比降低达30%，即在相同温度条件下热对流的最大涡量强度从 58.2 (Ι/s)减小为 40.6 (Ι/s)。
[0031]图3A和图3B分别显示了典型矩形液池中温度场分布和采用本发明方法的温度场分布O
[0032]图4是本发明通过主动温度梯度控制后与典型液池的流体自由表面分布对比示曲线意图。
[0033]本发明的主动温度梯度法并没有通过传统的增加外部磁场及接触式的方法来控制对流，为控制表面张力驱动对流提供了一种新的方法。
【主权项】
1.一种基于温度梯度控制表面张力驱动对流的方法，是在液池内的流体自由表面引入局部加热源进行主动加热，以削弱流体自由表面的温度梯度，并通过此温度梯度的减弱以减小表面张力梯度的大小，从而有效削弱热对流的强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，局部加热源的加热时间为瞬态调整。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过局部加热源正下方流体自由表面监测点的温度进行控制，当监测点的温度达到T = 3/5*(VT1)时停止加热；当监测点温度小于T = 3/5* (TJT1)时开始加热； 其中=Ttl和T 别为液池两侧壁面的温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，局部加热源为激光加热器。
【专利摘要】一种基于温度梯度控制表面张力驱动对流的方法，是在液池内的流体自由表面引入局部加热源进行主动加热，以削弱流体自由表面的温度梯度，并通过此温度梯度的减弱以减小表面张力梯度的大小，从而有效削弱热对流的强度。本发明通过对流体自由表面的温度梯度进行主动控制，在相同温度条件下热对流的最大涡量强度减小30％，对流转为稳态对流；不需要增加外部磁场控制对流，为表面张力驱动对流的控制提供了一种新的方法。
【IPC分类】G05D23-19
【公开号】CN104635792
【申请号】CN201510012933
【发明人】周小明, 淮秀兰, 李勋锋, 成克用
【申请人】中国科学院工程热物理研究所
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月9日