Управление термо- и концентрационно-капиллярными течениями при выращивании кристаллов методом жидкой зоны в условиях высокочастотного вибрационного воздействия

Аннотация

В работе численно исследуются возможности управления конвективными течениями в жидком мостике в условиях нулевой гравитации при помощи осевых вибраций. Поверхностное натяжение полагается зависящим и от температуры, и от концентрации примеси. Деформации свободной поверхности в среднем и кривизны поверхностей фазового перехода не принимаются во внимание, но учитываются пульсационные деформации свободной поверхности. В первой части статьи изучаются осесимметричные стационарные течения. Вычисления показывают, что эволюция конвективного течения с изменением теплового числа Марангони при фиксированном значении концентрационного числа Марангони сопровождается явлением гистерезиса, что связано с существованием двух устойчивых стационарных режимов в некотором диапазоне параметров. Один из этих режимов характеризуется доминированием термокапиллярного механизма и соответствует двухвихревому течению, а в другом преобладает концентрационно-капиллярный механизм, и режим соответствует одновихревому течению. В результате воздействия вибраций диапазон гистерезиса тепловых чисел Марангони сужается и смещается в область их больших значений. Во второй части статьи рассматривается устойчивость термо- и концентрационно-капиллярных течений и переход к трехмерным режимам. Выявлено значительное взаимное влияние течений, генерируемых каждым из механизмов, на устойчивость друг друга. Для различных значений вибрационных параметров получены карты устойчивости в параметрической плоскости «тепловое число Марангони - концентрационное число Марангони. Продемонстрировано, что вибрации стабилизируют течение за счет повышения критических чисел Марангони для всех мод неустойчивости. Однако для разных мод характер стабилизации различен, а при высокой интенсивности вибраций возможна и дестабилизация. Таким образом, вибрации могут изменить сценарий перехода к трехмерным режимам.