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低プラントル数流体における液柱内マランゴニ対流現象の解明

低普朗特数流体液柱中马兰戈尼对流现象的阐明

基本信息

批准号：
05J02377
负责人：
白鳥英
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Tokyo Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

融液からの半導体結晶成長時には,振動化した温度差マランゴニ対流が不純物縞の生成要因となることが明らかとなっており,このような材料プロセスによる製品の高品質化・技術向上においては,マランゴニ対流の理解と制御が必要不可欠である.金属融体に代表される低プラントル数流体では,これまで実験的研究と数値解析的研究で,流れの駆動力であるマランゴニ数に大きなギャップがあることが相互理解の妨げとなってきた.特に,実験的に低駆動力流れを実現することが戦略的な要求となっている.本研究では,従来用いられてきたハーフゾーン液柱において,自由表面の一部を酸化膜などで覆うことで,実験的に低駆動力流れを実現できる可能性に着目し,このモデルにおける流れの理解を目的とした数値解析的研究を進めてきた.前年度までに,自由表面を局在化した場合には,通常の液柱系では見られない,軸対称定常流から振動流への直接遷移が起こることを見出した.本年度は,この系における不安定性メカニズムについて整理し,体系的な理解を与えることを目的として,さらに詳細なエネルギー解析を広範な幾何学条件について実施した.結論として得られた知見は以下である.低温ディスクと自由表面とが直接接続されているか否かが,不安定性の変化における幾何学的な要件である.直接接続されている場合には,軸対称定常流の安定臨界マランゴニ数が通常のハーフゾーンと同程度で,不安定性メカニズムが常に同一となるため,実験的に低駆動力流れの実現する場合に従来のハーフゾーンの代替として有効であると結論した.流れ場の対称性を表す周方向波数については,幾何学条件への依存性として本研究で経験則を提示した.一方,低温ディスクと自由表面との間に固体膜が設けられている場合には,自由表面を局在化する割合によって,少なくとも4種類の異なる不安定性メカニズムが出現し,このうち2つは通常液柱では見られない振動型の不安定性である.楕円型不安定性が幾何学形状に大きく依存し,遠心力不安定性とのバランスが変化することが,全体との不安定性の多様化において支配的な要因である.これらの成果の一部は日本金属学会,日本機械学会などで報告し,Physics of Fluidsなどの学術雑誌にて発表した.

During the growth of semiconductor crystals in melt solutions, the vibration and temperature difference are the main reasons for the formation of impurities. The high quality of products and the improvement of technology are necessary for the understanding and control of impurities. Metal melt represents low density fluid, which is the study of numerical value analysis and flow dynamics. Special, low power flow requirements. This study is aimed at studying the possibility of realizing low pressure dynamic flow in liquid column, acidification film on part of free surface, and numerical analysis of flow. In recent years, free surface conditions have changed. In general, liquid column systems have changed. In axial symmetry, steady flow, vibration flow, and direct migration have occurred. This year, the instability of the system is analyzed, and the understanding of the system is discussed. Conclusion: Low temperature, free surface, direct contact, geometric requirements for instability. In the case of direct connection, the stability critical number of axial symmetry steady flow is usually the same as that of axial symmetry steady flow, and the stability critical number of axial symmetry steady flow is usually the same as that of axial symmetry steady flow. The symmetry of the flow field indicates the dependence of the circumferential wave number on the geometric condition. On the one hand, when the solid film between the free surface and the low temperature is set up, the free surface is partially separated, and the instability of the four kinds of different types occurs. On the other hand, the instability of the ordinary liquid column is observed. The geometric shape of the model instability depends greatly on the geometric shape of the model, and the long-term instability depends on the geometric shape of the model. The results of this study were published in the Journal of Physics of Fluids, Japan Metal Society, Japan Mechanical Society.