基于非平衡热力学理论的浅液层内热毛细对流的研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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基于非平衡热力学理论的浅液层内热毛细对流的研究

项目名称：基于非平衡热力学理论的浅液层内热毛细对流的研究
项目类别：面上项目
批准号：50476042
申请代码：E060101
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2005-01-01-2007-12-31

项目负责人：李友荣
负责人职称：教授
依托单位：重庆大学
批准年度：2004

中文摘要：

本课题属于热力学、流体力学和材料科学相互交叉的开拓性研究项目，主要利用非平衡热力学理论研究半导体晶体材料Czochralski法生长过程中浅液层内热毛细对流的稳定性、热流体波的形成机制、基本特性及控制方法。首先，采用线性稳定性理论和里亚普诺夫(Lyapunov)V函数法分析浅液层内热毛细对流的稳定性，确定失稳的临界条件、预示失稳后耗散结构型式；然后，采用数值模拟获取浅液层内流动失稳后速度、温度和熵产的空间分布规律和时间演变规律，通过分析流动过程中动能涨落、热能涨落和熵产的相互关系来探讨热流体波形成的物理机制，得到各种条件下波长、波幅、波数以及传播方向的变化规律；结合实验，研究磁场、晶体和（或）坩埚旋转对热流体波的形成条件和基本特性的影响，寻找控制熔体温度涨落的有效方法。本研究对于丰富和发展浅液层内的热毛细对流及其稳定性理论、改进半导体晶体生产过程、提高产品质量具有重要理论意义和实用价值。

中文主题词：非平衡热力学；浅液层；热毛细对流；稳定性；热流体波

英文摘要：

non-equilibrium thermodynamics

英文主题词： non-equilibrium thermodynamics

结论摘要：

了解热对流过程的基本特征对于改进Czochralski 法生长过程中晶体材料的质量具有重要的意义。本项目主要利用非平衡热力学理论研究浅液层内热毛细对流的稳定性、热流体波的形成机制、基本特性及控制方法。得到了下述重要结论1) 在环形硅熔体浅池内，当温差较小时，流动为二维稳态流动，当温差超过某一临界值之后，将转化为三维振荡流动，流动转化存在分叉现象；2) 对Czochralski结构而言，随着温差的增大，存在两次流动转变，第一次由稳定的轴对称流动转变为三维稳态流动，然后，转变为三维振荡流动，此时，存在转变滞后；3) 在旋转的环形液池内，热流体波的波速随液池转速的增大而增加，其运动方向则取决于液池的旋转速度；4) 应用磁场可有效抑制环形浅池内硅熔体的热毛细对流，当磁场强度超过某一临界值后，三维振荡流动将转化为轴对称二维稳态流动；5) 对中等普朗特数流体，当液池较浅时，热流体波占主导地位，当液池较深时，将呈现三维稳态流动；6) 对环形硅油浅液层内的热毛细对流进行了可视化实验研究，观察到了旋转的热流体波，确定了发生热流体波的临界温差值，证实了热流体波的演变过程。

成果综合统计