Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена исследованию конвекции в двухслойных системах с деформируемыми поверхностями раздела сред. В первой главе диссертации с учетом деформаций поверхности раздела исследуется возникновение конвекции в двухслойной системе несмешиваю-щихся жидкостей с близкими плотностями. Актуальность изучения конвекции в двухслойных системах связана с многочисленными техническими приложениями этих исследований. Конвективные процессы оказывают существенное влияние на тепловые режимы хранения нефтепродуктов в емкостях, процессы химической технологии и др. Условиям возникновения конвекции в двухслойных системах посвящено большое число работ, однако, большинство из них проведено в предположении о недеформируемости поверхности раздела. В то же время в случае систем жидкостей с близкими плотностями учет деформируемости поверхности раздела принципиально необходим.
Во второй главе диссертации рассматривается влияние высокочастотных вращательных вибраций малой амплитуды на течения и тепломассоперенос при направленной кристаллизации бинарных сплавов. С развитием современных технологий значительно возросла необходимость в создании полупроводниковых кристаллических подложек высокого качества. При кристаллизации неизбежно возникают течения, которые могут привести к неоднородностям распределения примеси в выращиваемом кристалле. В этой связи важной и актуальной задачей является поиск способов управления качеством получаемых кристаллов путем воздействия на течения в расплаве. Одним из самых низкоэнергетических способов воздействия являются вибрации.
Целью работы является исследование условий возникновения неустойчивости в системах с деформируемыми поверхностями раздела (конвективной неустойчивости механического равновесия двухслойной системы несмешивающих-ся жидкостей с деформируемой поверхностью раздела и морфологической неустойчивости поверхности раздела расплав-кристалл в процессе направленной кристаллизации бинарного сплава) и определение оптимальных параметров вибрационного воздействия для управления устойчивостью.
Научная новизна работы. В рамках выполнения диссертационной работы, получены следующие новые результаты:
при исследовании линейной устойчивости механического равновесия двухслойной системы горизонтальных несмешивающихся жидкостей с деформируемой поверхностью раздела и фиксированным тепловым потоком на внешних границах обнаружена длинноволновая колебательная мода неустойчивости, отсутствующая в случае идеально теплопроводных границ;
в результате изучения влияния термокапиллярного эффекта на устойчивость равновесия двухслойной системы с деформируемой поверхностью раздела и заданным тепловым потоком на внешних границах, установлено, что термокапиллярный эффект приводит к дестабилизации равновесия как при подогреве снизу, так и при нагреве сверху;
при исследовании влияния высокочастотных вертикальных вибраций малой амплитуды на устойчивость равновесия двухслойной системы найдено, что вибрации высокой интенсивности оказывают стабилизирующее действие в широкой области параметров;
разработан новый эффективный алгоритм численного исследования течений и тепломассообмена при выращивании кристаллов;
при изучении влияния высокочастотных вращательных вибраций на течения, тепломассоперенос и морфологическую неустойчивость фронта при направленной кристаллизации бинарных систем с низкой температурой кристаллизации обнаружено, что вибрации могут приводить к значительному повышению порога морфологической неустойчивости и уменьшению сегрегации примеси на фронте;
при исследовании влияния высокочастотных вращательных вибраций на течения и тепломассоперенос при выращивании полупроводниковых кристаллов вертикальным методом Бриджмена обнаружено, что вращательные вибрации приводят к исчезновению области неоднозначности режимов.
Автор защищает:
результаты исследования линейной устойчивости двухслойной системы
жидкостей с деформируемой поверхностью раздела и заданным тепловым
потоком на внешних границах;
вывод амплитудного уравнения, описывающего крупномасштабные конвективные течения в двухслойной системе с деформируемой поверхностью раздела и заданным тепловым потоком на внешних границах;
результаты исследования влияния термокапиллярного эффекта на порог возникновения конвекции в двухслойной системе с деформируемой поверхностью раздела и заданным тепловым потоком на внешних границах;
результаты исследования влияния вертикальных высокочастотных вибраций на устойчивость двухслойной системы жидкостей с деформируемой поверхностью раздела и заданным тепловым потоком на внешних границах;
результаты численного исследования влияния высокочастотных вращательных вибраций малой амплитуды на морфологическую неустойчивость и сегрегацию примеси при направленной кристаллизации бинарных сплавов;
результаты численного моделирования нестационарных процессов кристаллизации бинарных расплавов вертикальным методом Бриджмена;
результаты численного исследования влияния вращательных вибраций конечной амплитуды и частоты на течения и тепломассоперенос в процессе направленной кристаллизации в рамках нестационарного подхода.
Достоверность результатов подтверждается результатами тестирования используемых программ расчетов; соответствием с известными решениями в предельных случаях; совпадением данных, полученных разными методами и в рамках разных подходов.
Практическая значимость работы: данные об устойчивости двухслойных систем могут быть использованы при оптимизации процессов химической технологии. Полученные в работе численные данные о влиянии вибраций на течения и тепломассообмен при кристаллизации бинарных сплавов могут быть использованы при разработке технологий управления течениями и тепломассообменом при выращивании кристаллов вертикальным методом Бриджмена с помощью вибраций. Разработанный в ходе выполнения диссертации новый алгоритм численного моделирования течений и тепломассообмена при выращивании кристаллов может быть использован при исследовании течений и тепломассообмена в других процессах роста кристаллов.
Апробация работы. Основные результаты, приведенные в диссертации, докладывались на следующих научных семинарах и конференциях: International Conference "Advanced Problems in Thermal Convection", Perm, 2003; Конференции молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах», Пермь (2003, 2004, 2005, 2006); Областная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов "Молодежная наука Прикамья - 2004", Пермь, 2004; Зимняя школа по механике сплошных сред (четырнадцатая), Пермь, 2005; Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения», Бийск, 2005; 36th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, China, 2006; Российский симпозиум «Космическое материаловедение - 2007», Калуга, 2007; Всероссийская конференция молодых ученых (с международным участием) «Неравновесные процессы в сплошных средах», Пермь, 2007; «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность», Москва, 2008; XXXVI Summer School - Conference "Advanced Problems in Mechanics", Saint-Petersburg (Repino), 2008; Пермский гидродинамический семинар им. Г.З. Гершуни и Е.М. Жуховицкого, Пермь, ПГУ, 2008.
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в работах [1-19].
Содержание и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, включающего обзор литературы и общую характеристику работы, двух глав, заключения, списка литературы (151 наименование). Работа содержит 71 рисунок и 5 таблиц. Общий объем диссертации - 170 страниц.
Похожие диссертации на Конвекция в системах с деформируемыми поверхностями раздела сред
