黏弹性双自由面热毛细液层的不稳定性

在微重力条件下,双自由面液层是实现新型材料晶体生长的一种潜在方式,对其流动进行稳定性分析对于薄膜结晶等应用具有重要意义。本文采用线性稳定性理论研究了黏弹性双自由面热毛细液层的不稳定性。在不同Prandtl数(Pr)下得到临界Marangoni数(Mac)与弹性数(ε)的函数关系,并分析了临界模态的流场和能量机制。研究发现流场存在三种临界模态,分别是斜波、流向波和展向稳态,且三者均受弹性影响。小和高Pr的临界模态为斜波和流向波。在中等Pr下,随着ε的增加,临界模态由斜波变为流向波,最终变为展向稳态模态。在小Pr下,热点会随着ε的增大从液体层表面移动到内部。本研究还考查了溶剂黏度与总黏度比(ζ)对不稳定机制和临界模态的影响。在高Pr下,增加ζ可以提高液体层的稳定性。然而在中小Pr下,增大ζ会导致弱弹性处的流动变得不稳定。能量分析表明:在小Pr下,弱弹性处的扰动应力做功耗散能量,而在强弹性处则会提供能量。在中高Pr下,扰动动能的主要能量来源是表面张力做功,基本流做功可以忽略不计。将双自由面液层与单自由面液层进行对比发现,在Ma较小时,双自由面液层的弹性不稳定性更加明显。