Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена исследованиям структуры течений термогравитационной и тепловой гравитационно-капиллярной природы в слоях жидкости различной ориентации, у вертикальной стенки и в прямоугольных полостях; тепловой гравитационно-капиллярной и смешанной (комбинации свободной конвекции и вынужденной, возбуждаемой вращающейся границей) конвекции у тел ряда канонических форм (диск, конус) в условиях, геометрически подобных нескольким вариантам технологических процессов получения монокристаллов (м/к) из расплавов. Систематические комплексные исследования эволюции пространственно-временной организации течений, результаты подробных измерений локальных мгновенных и средних по времени характеристик полей скорости и температуры, тепловых потоков в ламинарных, переходных и турбулентных режимах создают фактический базис для развития теории процессов конвективного тепло-массообмена (ТМО) в условиях подавляющего или сильного влияния сил плавучести, в условиях их совместного с термокапиллярным эффектом и/или с центробежными силами воздействия. Результаты данных исследований необходимы для анализа и оптимизации процессов ТМО в различных технологических процессах, таких как получение м/к различных материалов, при проектировании и эксплуатации объектов энергетики, авиационной, ракетной и другой техники, работа которых происходит в условиях больших перепадов температуры или больших удельных плотностей тепловых потоков.
В конце 70-х в начале 80-х наиболее отчетливо была осознана необходимость исследования течений жидкости в условиях сильного влияния сил плавучести (силы Архимеда) на формирование их структуры. Вызвано это тем, что возбуждаемая этими силами конвекция не может считаться, как это традиционно делалось, малой несущественной добавкой во многих высокотемпературных технологических процессах и технических устройствах с большими градиентами температуры (или концентрации). Более того, во многих технологических и природных процессах тепломассообмена свободная конвекция является определяющей. К общегидродинамической проблеме относятся исследования ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) и турбулентных свободноконвективных течений на таких канонических объектах, как плоские слои жидкости с нагретыми до разных температур изотермическими стенками и с различной ориентацией слоев относительно вектора силы тяжести, плоские изотермические стенки или тела простых геометрий, имеющие температуру, отличную от температуры окружающей среды. Все наиболее глубокие и методически насыщенные исследования эволюции конвективных течений на таких простых объектах были и будут необходимой базой для создания теоретических основ современных наукоемких технологий.
В значительной степени, в связи с развитием космических полетов и тем, что в условиях невесомости особенно велика роль капиллярных явлений на свободной поверхности жидкости и термокапиллярного эффекта (связанного с зависимостью коэффициента поверхностного натяжения от температуры), в процессе выполнения данной работы развивалось еще одно направление — исследования тепловой гравитационно-капиллярной конвекции. Исследования показали, что термокапиллярный эффект заметно
проявляется и на фоне термогравитационной конвекции. Роль капиллярных явлений становится доминирующей при отработке технологий получения материалов в невесомости и существенной в наземных технологиях, например, при получении высококачественных м/к.
Структура свободноконвективных и гравитационно-капиллярных течений и течений с различным вкладом свободноконвективного и вынужденного механизмов, процессы ЛТП, характеристики турбулентных режимов таких течений были исследованы к началу данной работы (1970г) крайне слабо. В области фундаментальных исследований большое внимание уделялось изучению устойчивости равновесия и стационарного конвективного течения, влияния на устойчивость различных осложняющих факторов — вращения, магнитного поля, диффузии, внутренних источников тепла и др. В области инженерно-прикладных исследований изучались в основном закономерности интегрального теплообмена в условиях внешних и внутренних задач.
В имевшейся справочной литературе была представлена информация практически только о зависимостях средних значений коэффициентов теплоотдачи (и теплопередачи) от чисел Грасгофа (или чисел Рэлея) для простейших геометрий теплообменных поверхностей. В то же время практически важными стали сведения о локальных характеристиках тепломассообмена, связанных (или обусловленных) с особенностями структуры конвективных течений. Наиболее ясно это видно на примере проблем получения материалов с заданными свойствами для нужд микроэлектроники и оптики, в химической технологии, энергетике, особенно атомной, авиации и ракетостроении. Большое количество объемных м/к и эпитаксиальных пленок получают в настоящее время различными методами из расплавов и растворов в расплаве. Технологическая практика показывает, что на качество м/к и пленок на стадии непосредственно перехода жидкость-твердое тело, сильное влияние оказывают процессы тепломассобмена вблизи фронта кристаллизации. Общие закономерности процессов тепломассообмена, которые успешно применяются в области энергетики, машиностроения, авиационной и космической технике, невозможно перенести механически на конкретные приложения к технологии получения материалов с заданными свойствами. В связи с этим с начала 80-х годов активно идет формирование нового научного направления — технологической гидромеханики и технологической теплофизики. Стало актуальным получить достоверные экспериментальные данные об общих фундаментальных свойствах термогидродинамических систем, подобных технологическим. В частности, экспериментальные результаты необходимы для разработки адекватных физико-математических и численных моделей технологических процессов.
Основные объекты исследований: 1. Горизонтальные слои жидкости с равномерным подогревом снизу с двумя жесткими границами, с жесткой нижней и верхней свободной границами, при стационарных и нестационарных температурных условиях. 2. Горизонтальные слои с продольным градиентом температуры с двумя жесткими стенками и с верхней свободной границей. 3. Полости с различными размерами и с нагретыми до разных температур торцевыми стенками, верхняя граница жидкости свободна. 4. Вертикальный слой жидкости с нагретыми до разных температур боковыми стенками и нагретая вертикальная пластина в большом объеме холодной жидкости. 5. Так как на современном этапе развития науко-
емких производств для физико-технических отраслей науки, по-видимому, характерным и естественным должно быть органическое сочетание фундаментальных и прикладных исследований, то еще одним направлением работы были исследования гидродинамики раплавов и конвективного теплообмена на физических моделях наиболее эффективных способов получения м/к из расплавов — различные варианты метода Чохральского и горизонтальной направленной кристаллизации. Эти объекты характерны тем, что здесь течение формируется при различном вкладе тепловой гравитационно-капиллярной и вынужденной (вызванной вращением одной или двух границ) конвекции. Этот относительный вклад изменяется в зависимости от перепадов температур, угловых скоростей вращения и абсолютных размеров моделей. Здесь преследовалась двоякая цель — во-первых, провести фундаментальные комплексные исследования эволюции структуры течения и теплообмена по той же программе и с той тщательностью, что и на традиционных канонических объектах (1-4); во-вторых — прикладная. Цель этих исследований — получить достоверные экспериментальные данные для создания теоретической базы и выдача рекомендаций для оптимизации существующих и разработки новых технологических процессов и ростовых установок.
Цель работы — получить надежные экспериментальные данные о гидродинамике и конвективном теплообмене во всех режимах течения на всех перечисленных выше объектах; исследовать закономерности ламинарно-турбулентного перехода в свободноконвективных и смешанноконвективных течениях в слоях жидкостей и у стенок различной ориентации при различных граничных условиях, на физических моделях метода Чохральского; определить границы переходов от простых форм течения ко все более сложной их пространственно-временной организации; изучить связь особенностей структуры течений со средними во времени и мгновенными локальными и интегральными тепловыми потоками; исследовать относительную роль сил плавучести, термокапиллярного эффекта и центробежных сил в формировании структуры изучаемых течений.
На защиту выносится:
-
Создание комплекса многофункциональных экспериментальных стендов, создание и адаптация методик эксперименальных исследований теплообмена и тонких характеристик полей скорости и температуры свободно-конвективных течений, пространственной формы течений.
-
Результаты исследований отбора и эволюции пространственной формы течения в подогреваемых снизу горизонтальных слоях жидкости, эволюции полей скорости и температуры в режиме ячеистой конвекции с ростом перепада температуры между границами слоя : а) две жесткие изотермические границы; б) верхняя свободная граница.
3. Результаты исследований перехода от режимов стационарной яче
истой конвекции к зависящему от времени течению в слоях с жесткими
границами различных относительных размеров.
4. Результаты исследований статистических характеристик поля темпе
ратуры в горизонтальных слоях жидкости в турбулентных режимах тече
ния.
5. Результаты экспериментальных исследований теплопередачи через
подогреваемые снизу горизонтальные слои жидкости Pr = 16 с двумя
жесткими границами и различными размерами в горизонтальной плоскости при стационарных и нестационарных температурных граничных условиях; теплопередачи через слой со свободной верхней границей.
6. Результаты экспериментальных исследований теплопередачи и стати
стических характеристик поля температуры в горизональном слое с жест
кими вращающимися границами: а) в режиме вращения всего слоя е це
лом; б) в режиме вращения только верхней или только нижней границы; в)
в режимах дифференциального вращения границ с различными угловыми
скоростями.
7. Результаты исследований структуры термогравитационного и гра
витационно-капиллярного течения в горизонтальном слое с продольным
градиентом температуры и в прямоугольных полостях различных относи
тельных размеров с нагретыми до разных температур торцевыми стенками.
-
Результаты исследований эволюции локальных характеристик пограничного слоя у вертикальных поверхностей теплообмена высокой и низкой теплопроводности.
-
Результаты экспериментальных и численных исследований теплообмена и структуры тепловой гравитационно-капиллярной, смешанной и вынужденной изотермической конвекции на лабораторных моделях метода Чохральского различных размеров.
10. Результаты исследований ламинарно-турбулентного перехода в по
граничных слоях на охлаждаемых горизонтальных поверхностях различных
размеров.
Научная новизна. К началу работы по теме диссертации не был решен вопрос о выборе пространственной формы свободноконвективных ячеистых течений в подогреваемых снизу горизонтальных слоях жидкости; не была исследована гидродинамика таких течений; отсутствовали данные о сценарии перехода к турбулентным режимам течения в горизонтальных слоях жидкости и в свободноконвективных пограничных слоях у стенок различной ориентации; отсутствовали данные о статистических характеристиках полей температуры и скорости в переходных и турбулентных режимах термогравитационных течений; практически не было экспериментальных исследований термокапиллярной конвекции; практически не было фундаментальных исследований гидродинамики и конвективного теплообмена при росте м/к и эпитаксиальных пленок.
Впервые экспериментально было показано, что ячеистая термогравитационная конвекция в горизонтальном слое с жесткими границами имеет валообразную форму с широким спектром длин волн и наличием наиболее вероятного значения длины волны, которое с ростом надкритичности растет, а спектр длин волн расширяется.
Впервые экспериментально исследованы гидродинамика ячеистого течения в слоях с двумя жесткими границами и поля температуры и скорости в слоях со свободной верхней границей; экспериментально подтверждено влияние термокапиллярного эффекта на формирование конвективного течения.
Впервые экспериментально показано влияние нестационарности граничных условий и относительных размеров горизонтальных слоев на сдвиг границ "дискретных изломов" зависимостей интегрального теплового потока через горизонтальные слои от перепада температуры.
Впервые экспериментально показана зависимость перехода к зависящему от времени квазиупорядоченному ячеистому течению от относительных размеров горизонтального слоя.
Впервые исследованы статистические характеристики поля температуры при турбулентном слое с двумя жесткими границами с жидкостью Pr = 16.
Впервые экспериментально показано сильное влияние термокапиллярного эффекта на теплопередачу через горизонтальные слои жидкости со свободной верхней границей в турбулентном режиме течения.
Впервые проведены исследования статистических характеристик поля температуры и теплопередачи через горизонтальные слои жидкости с дифференциальным вращением границ.
Впервые проведены экспериментальные исследования структуры течения и его устойчивость в горизонтальном слое с высокотеплопроводными границами и продольным градиентом температуры.
Впервые было проведено комплексное моделирование процессов вытягивания м/к из расплавов методом Чохральского на специально созданном семействе разномасштабных экспериментальных стендов-моделей и получены впервые принципиально новые результаты о структуре тепловой гравитационно-капиллярной, смешанной и вынужденной изотермической конвекции: впервые определены пороги неустойчивости течения в целом и в пограничных слоев на модельных фронтах кристаллизации при тепловой гравитационно-капиллярной конвекции.
Впервые при смешанной и вынужденной изотермической конвекции в термогидродинамических системах, подобных методу Чохральского, выявлен сам факт существования качественно различных структур течения и определены области их существования, обнаружено влияние масштабного фактора на формирование пространственных форм течения.
Впервые в режимах тепловой гравитационно-капиллярной, смешанной и вынужденной конвекции на физических моделях метода Чохральского изучено распределение скорости, а в первых двух случаях и температуры в объеме. Показана связь гидродинамики с поведением мгновенных и средних по времени локальных и интегральных тепловых потоков к фронту кристаллизации. Впервые показано влияние граничных условий для температуры на стенках тигля при тепловой и смешанной конвекции на гидродинамику, статистические характеристики поля температуры и теплоотдачу к фронту кристаллизации.
Степень достоверности результатов. Научные положения, выводы и обобщения, сформулированные в диссертации, опираются на обширный экспериментальный материал, полученный автором, и на результаты численных исследований. Достоверность экспериментальных данных обеспечена использованием современных методов измерений и обработки данных, детальной проработкой методических вопросов, подробным анализом случайных и систематических погрешностей и подтверждается хорошей воспроизводимостью результатов. Достоверность предлагаемых обобщающих зависимостей подтверждена совпадением в пределах доверительных границ оцениваемых погрешностей с результатами измерений и их физическим обоснованием. Достоверность результатов численных исследований обеспечена использованием современных методов расчетов и сравнением их результатов с экспериментом.
Научная и практическая значимость. Полученные в работе систематические экспериментальные результаты имеют фундаментальное значение для понимания процессов ламинарно- турбулентного перехода в течениях тепловой гравитационно-капиллярной природы и в режимах смешанной конвекции с сильным влиянием сил плавучести.
Результаты экспериментальных исследований структуры конвективных движений и теплообмена в различных режимах в слоях различной ориентации использовались и используются в Институте проблем механики РАН, Гидрометеоцентре, в І/1ЯФ МГУ в качестве тестовых задач при отработке численных моделей и алгоритмов расчета.
В период с 1977г. по настоящее время активно разворачиваются работы по численному моделированию гидродинамики и тепломассообмена в технологических процессах получения м/к, в частности, в методе Чохральско-го, что сопровождается появлением новых разностных методик на основе нестационарных уравнений Навье-Стокса и разработкой метода конечных элементов, позволяющего проводить исследования в областях со сложными границами. Результаты лабораторного моделирования метода Чохральско-го широко используются разработчиками численных моделей технологических процессов для решения вопросов, связанных с количественной проверкой адекватности численных решений, в Институте проблем механики, Институте прикладной математики РАН, Гиредмета, ВЦ Латв. гос. университета (до 1991г) и ряде других организаций, а в последние годы и в МТиК СО РАН.
Полученные в диссертации результаты моделирования технологических процессов нашли практическое применение в усовершенствовании существующих и разработке новых технологических процессов получения м/к гранатов и кремния, эпитаксиальных ЦМД структур (в Институте материаловедения им. Малинина, г. Зеленоград), получения крупногабаритных щелочно-галоидных кристаллов (в Институте монокристаллов, г. Харьков). Данные по моделированию процессов роста ряда оксидных м/к используются в Конструкторско-Технологическом Институте монокристаллов и в ИНХ СО РАН. Эти результаты представляют интерес для разработчиков технологических процессов и ростовой аппаратуры многих организаций, занятых получением м/к и пленок для микроэлектроники, лазерной техники, специальной оптики и т.д., т.к. они по существу являются теоретической базой (широкого применения) такого класса процессов.
Результаты исследований ламинарно-турбулентного перехода у стенок различной ориентации, особенно поведение мгновенных локальных тепловых потоков, представляют практический интерес для конструкторов тонкостенных машин и аппаратов, например, для анализа режимов эксплуатации топливных баков в авиационно-ракетной технике.
Работа проводилась: 1. В соответствии с координационным планом АН СССР "Экспериментальное и теоретическое изучение проблем турбулентности" (п.1.9.1.2.); планом НИР Института теплофизики СО РАН по теме "Экспериментальное исследование структуры турбулентных потоков и характеристик турбулентного переноса" (Гос. per. №81030084 и Гос. per. №01.86.0103357); координационным планом СО РАН "Новые материалы" (п. 10.2.1.10); заданиями АН СССР (РАН) и другими решениями директивных органов на проведение в 1986—1999гг. фундаментальных и прикладных
исследований в области перспективных направлений микроэлектроники; 2. Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР (№554-164 от 13.05.86); 3. Постановлением ГКНТ (№555 от 30.10.88г., этап 25). В последние годы работа выполнялась в рамках грантов РФФИ №97-01-00760 и N'99-01-00544 (руководитель- автор диссертации); в рамках интеграционных проектов СО РАН №97-36 (руководители; чл.-корр. РАН К.К. Свиташов и д.ф.-м.н. А.Л.Асеев МФП СО РАН); №2000-49 (руководитель-автор диссертации); №2000-55 (руководитель: чл.-корр. РАН А.Л. Асеев ИФП СО РАН).
Публикации и аппробация работы. Основные результаты опубликованы в 35 работах (см. список в конце автореферата) и были представлены на 1,2 Всесоюзных конференциях "Современные проблемы тепловой гравитационной конвекции" (Минск, 1971; Пермь, 1975); на 5 Международной конференции по теплообмену (Токио, 1974); на научных конференциях Института теплофизики СО АН СССР (Новосибирск, 1975, 1977); на 5 Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1976); на 1-4 Всесоюзных семинарах по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости (Москва, 1979; Пермь, 1981; Черноголовка, 1984; Новосибирск, 1987); на 1 Всесоюзной конференции "Метрология гидрофизических измерений' (Москва, 1980); на конференциях Латвийского гос. университета (Рига, 1981, 1983); на научно-техническом семинаре в Гиредмете под руководством академика А.А. Самарского (Москва, 1981); на 7 Всесоюзной школе "Теоретические и прикладные проблемы вычислительной математики и математической физики" (Рига, 1982); на 9 Всесоюзном семинаре "Численные методы в механике вязкой жидкости" (Ленинград, 1982); на Всесоюзном семинаре "Математическое моделирование процессов затвердевания металлов и сплавов" (Новосибирск, 1983); на 7-9,11 Всесоюзных школах-семинарах по моделям механики сплошной среды (Кобулети, 1983; Омск, 1985; Якутск, 1987; Казань,1991); на 1,2 Всесоюзных конференциях по моделированию роста кристаллов (Рига, 1985, 1987); на Всесоюзном семинаре "Тепло- и массоперенос при росте кристаллов" (Александров, 1985); на 6 Всесоюзном съезде по теоретической и механике (Ташкент, 1986); на 7,8 Всесоюзных конференциях по росту кристаллов (Москва, 1988; Харьков, 1992); на 6 Всесоюзной конференции по физико-химическим основам полупроводниковых материалов (Москва, 1992); на Всесоюзных школах по росту кристаллов (Харьков, 1989; Ужгород, 1990); на ежегодных международных конференциях "Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск,1995-2000); на 3-м Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 1996); на 2-м Российском симпозиуме "Процессы тепломассопереноса и рост монокристаллов и тонкопленочных структур" (Обнинск,1996); на 2-й Российской конференции "Кремний-2000" (Москва,2000); на 1-й Азиатской конференции по росту кристаллов и технологиям (Япония, Сендай,2000) и неоднократно на семинаре по численным методам в механике жидкости и газа Института проблем механики РАН под руководством профессоров Л.А. Чудова и В.И. Полежаева (Москва); неоднократно на общих семинарах Института теплофизики СО РАН под руководством академика В.Е. Накорякова (Новосибирск).
Личный вклад автора. В представленной работе в основном обобщены результаты экспериментальных исследований, выполенных автором как самостоятельно, так и вместе с сотрудниками научной группы и, затем, лаборатории свободноконвективного теплообмена, которые автор возглавлял в качестве научного руководителя и заведующего лабораторией в МТиК СО РАН (АН СССР). Часть работы выполнялась на основе хоздоговоров, договоров о двустороннем сотрудничестве и на основе личных творческих связей автора при участии и поддержке сотрудников ряда других организаций. При этом автору принадлежит: 1) в работах, выполненных совместно с С.С. Кутателадзе и А.Г. Кирдяшкимым (до 1985г.) участие в постановке задач, а затем в качестве руководителя группы и лаборатории постановка проблемы в целом и формулировка задач экспериментальных и численных исследований на всех этапах работы; 2) полностью самостоятельное создание или непосредственное участие в создании экспериментальных установок и стендов на всех этапах работы, начиная с 1968г; 3) разработка или участие в разработке основных методик проведения экспериментов и обработки результатов; 4) самостоятельное выполнение и непосредственное участие в опытах и обработке результатов; интерпретация результатов и написание лично (на всех этапах работы) практически всех статей, докладов, отчетов и других научных трудов, результаты которых вошли в диссертацию.
Структура работы. Основное содержание изложено в б главах, имеющих стандартную структуру: введение, краткий обзор состояния данного частного вопроса на момент начала наших исследований, описание экспериментальных стендов и методик визуализации, измерений и обработки экспериментальных данных, результаты исследований. Основные результаты и выводы сформулированы в конце каждой главы. В конце работы представлены общее заключение и список литературы.