[发明专利]基于主动温度梯度法控制表面张力驱动对流的方法

说明书

技术领域

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

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：

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。

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。

在晶体生长系统中，坩埚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。

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。

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

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。

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。

所述的方法中，局部加热源的加热时间为瞬态调整。

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*(T₀+T₁)时停止加热；当监测点温度小于T＝3/5*(T₀+T₁)时开始加热；其中：T₀和T₁分别为液池两侧壁面的温度。

所述的方法中，局部加热源为激光加热器。

本发明的优点在于：

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(1/s)减小为40.6(1/s)，减小幅度达30％，对流转为稳态对流；

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

图1A是典型矩形液池的示意图。

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。

图2A是典型矩形液池中流涡分布示意图。

图2B是采用本发明方法的流涡分布示意图。

图3A是典型矩形液池中温度场分布示意图。

图3B是采用本发明方法的温度场分布对比示意图。

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。

附图中符号说明：

1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

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。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

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。