Marangoni效应下多晶硅真空定向凝固杂质富集和铸锭质量的模拟与实验

对于多晶硅垂直布里奇曼真空定向凝固过程,由熔体自由表面张力梯度引起的Marangoni对流对杂质富集和铸锭质量有着明显的影响。基于多晶硅真空定向凝固过程多物理场模型,采用数值模拟和实验结合研究了在Marangoni效应下硅料的温度场、流场、应力场对硅晶体质量的影响及硅锭中Al、Fe等杂质的分凝、富集规律。结果表明:Marangoni效应使硅锭内部的温度场分布更加均匀,硅料的轴向温度梯度降低,从而硅锭内部的热应力值要小于不存在此效应时硅锭内部的热应力值,热应力降低了8.7%~22.5%,且硅锭的应力范围在3.36~96.7 MPa。硅锭顶部金属杂质Al、Fe富集程度较高,界面Marangoni效应加强了金属杂质原子转移,其分布从最初的小面积块状转变成大面积网络状存在。

表面活性剂液滴过渡沸腾的Marangoni效应与二次液滴形成

表面活性剂液滴撞击不同温度基底的动力学过程,在传热、冷却和打印等领域均有广泛涉及.本文利用高速摄影技术对表面活性剂SDS,CTAB和Triton X-100的水溶液液滴撞击热铝板的过程进行观测,研究不同表面活性剂液滴撞击热铝板动力学过程.实验发现,处于过渡沸腾的表面活性剂液滴,在蒸发的最后阶段会形成一个处于非浸润状态的二次液滴.分析表明,液滴撞击基底后,液滴的三相接触线和液滴顶部产生温度梯度,三相接触线附近的表面活性剂分子浓度显著大于液滴顶部.由浓度梯度驱动的Marangoni效应使上层液体得以保持,并在蒸发的最终阶段,逐渐收缩为球形,形成二次液滴,在底部气泡爆炸产生的冲击下脱离基底并起跳.二次液滴的半径随初始液滴浓度升高而增大,最终达到饱和半径.该项工作阐明了二次液滴形成过程中表面活性剂的作用,为理解Leidenfrost效应的物理机制以及调控沸腾传热提供了参考.

Marangoni效应对降膜加热流动的影响

采用红外热像仪和智能化薄膜厚度测试仪研究了垂直板上受热降膜的流动特性,得到液膜表面温度分布、液膜宽度、液膜厚度、局部液膜厚度随时间变化关系等参数.通过对这些参数的分析,可知降膜加热流动时,液膜表面出现轴向和径向的温度梯度,由此产生的表面张力梯度引起Marangoni效应对降膜流动有着很大的影响.降膜加热流动过程中,Marangoni效应使液膜产生较大的收缩,膜厚增加,表面波动加强.

多相传质过程中的Marangoni效应

Marangoni效应广泛存在于液液、气液相际传质过程中,通常会对传质速率产生重要影响。对Marangoni效应的实验及理论研究有助于增进对微观传质机理的理解,是强化相间传质过程效率的重要因素。重点介绍了液液体系中单液滴萃取的实验和模拟研究,对液液体系中Marangoni效应不稳定性的判据,对气液体系有效传质面积的影响,以及两种体系中利用表面活性剂进行传质调控的研究等方面的进展进行了综述,还探讨了传质过程中Marangoni效应应用研究的方向。

伴有Marangoni效应的传质动力学

结合Marangoni对流的流体动力学条件 ,通过建立的半经验模型研究了伴有Marangoni效应的传质动力学 ,阐述了Marangoni效应增强传质的机理 ,得到了传质Sherwood数与Marangoni数之间的连续指数关联 ,从而得以解释不同实验过程中得到的不同Sherwood数与Marangoni数之间的关系 .研究表明 ,由Marangoni效应而增强的传质系数与界面Marangoni湍动的表现形式有关 .

Marangoni效应与汽液传质过程

Marangoni效应与汽液传质过程介绍Marangoni效应对液体混合物流型的影响,同时指出其影响传质过程的机理。在概述国内外这一领域的研究动态和进展的基础上,提出了在Marangoni效应作用下传质过程的控制与操作以及设计和开发新传质元件的思路与策略。

电解质溶液的受热降膜传热与Marangoni效应

采用红外热成像技术研究了电解质Na2SO4-H2O溶液受热降膜传热过程中的Marangoni效应。实验结果表明,降膜表面的流向和径向上存在分别由温度和浓度分布不均引起的热和溶质Marangoni效应。降膜径向热Marangoni效应引起了液膜的收缩,使液膜厚度增加,增大了液膜热阻;流向热Marangoni效应加剧了液膜的湍动,减小了液膜滞流层厚度,降低了液膜热阻;径向溶质Marangoni效应则减弱了热Marangoni效应对液膜的收缩作用,促进了液膜的扩展。分析发现在本实验条件下,表征Marangoni效应大小的Marangoni数Ma不能准确地反映不同雷诺数Re下Marangoni效应对降膜流动的影响,为此引入判断Marangoni效应对降膜流动影响程度的Marangoni效应影响因子ε,ε与实验结果具有较好的一致性。

Marangoni效应与降膜传递过程

M arangon i效应在降膜传热、传质过程中广泛存在,并对这些过程有着显著影响。人们对M arangon i效应进行过大量的理论和实验研究。初步总结了近年来关于M arangon i效应的研究工作,并对其中的热点问题进行分析,进而展望了未来关于M arangon i效应的研究趋势。

Marangoni效应对填料塔精馏传质过程的影响

通过 4种正体系、 5种负体系的精馏实验 ,考察了Marangoni效应对填料塔中传质过程的影响。结果表明 :正体系的气相体积总传质系数KGa与组成无关 ,仅受气相流量 qG 的影响 ,可用关联式KGa =AqGB,和B =0 .94± 0 .0 4表示 ;而对负体系 ,由于Marangoni效应的存在 ,顺着液相流动方向 ,KGa逐渐减小。其关联式为KGa =AqGBMsC,B =1.0 5± 0 .0 4,C =0 .3± 0 .0 5 ,该式的平均误差约为 6%。

传质过程中的Rayleigh-Bénard-Marangoni效应

Rayleigh B啨ｎａｒｄ Marangoni现象对吸收、萃取、精馏、蒸发等气液或液液传质过程具有显著的影响和重要性 ,但迄今 ,对RBM现象本质的认识还远远不能满足理论和工程上的要求 ,对其实验及理论研究将促进对传质微观机理的理解及加强实际应用。文中综述了对RBM现象实验和理论研究的成果 ,讨论了未来对其研究的方法和方向。

气液界面Marangoni效应对传质系数的影响

在气液相际传质过程中,界面Marangoni湍动会对传质过程产生重要的影响,为此,建立了一套气液接触传质设备,以使得通过N2与异丙醇稀溶液逆流接触将液体中使表面张力降低的溶质解吸出来,从而引发Marangoni湍动,提高传质速率。发生Marangoni对流时,液相的传质系数比只依靠扩散传质而不考虑Marangoni效应时大,因此引出增强因子F这一概念,通过计算F的值即可判断Marangoni效应对传质速率影响的程度。提出了一个包括Marangoni准数的计算传质系数关联式,其计算结果与实验结果相符。

规整填料塔精馏的Marangoni效应

选用 6种代表性物系对陶瓷板波纹和不锈钢丝网规整填料进行全回流精馏实验 ,考察Marangoni效应对规整填料液体流动分布及传质的影响 .结果表明 :对纯有机体系 ,Marangoni效应影响较小 ;而对有机物的水溶液 。

降膜传质过程Marangoni效应稳定性分析

通过建立降膜流动传质模型 ,并考虑液相流动及非线性浓度分布的影响 ,利用线性微扰理论得到了降膜流动传质过程Marangoni效应发生的理论临界条件 .用所建立的降膜流动传质实验装置得出实测传质系数的变化 ,由此获得Marangoni效应发生的实测临界条件 ,实测值与理论值基本符合 。

Marangoni效应与液膜振荡

本文系统地总结了 Marangoni效应的形成、发展及其与液膜振荡现象的关系 ,用 Marangoni效应定量分析讨论了 3种不同的液膜振荡体系 ,给出了有关数学公式 。

液体降膜中Marangoni效应的研究进展

降膜过程中的Marangoni效应是当前流体传递过程与非线性理论研究领域中的热点,对产品质量具有重要影响。回顾了近几年国内外关于Marangoni效应的最新研究进展,重点介绍了有关热Marangoni效应的实验及理论研究成果,并进行了比较和分析。结果发现,Marangoni效应与体系温度和浓度变化等有关,并会影响降膜稳定性。同时,针对目前研究中存在的一些不足,提出了今后研究工作的一些建议。

不同液膜体系中Marangoni效应对活性剂液滴铺展的影响

针对含可溶性表面活性剂的液滴在预置液膜上的铺展过程,应用润滑理论建立液滴厚度、活性剂表面浓度及内部浓度演化过程的控制方程组,采用PDECOL程序模拟液滴的演化特征,探讨不同液膜体系下Marangoni效应的作用机理,并基于瞬态增长法分析负体系下液滴演化的不稳定性.研究表明,正体系下Marangoni效应可促进活性剂分子扩散,有利于活性剂液滴的稳定铺展;负体系下Marangoni效应则抑制液滴铺展,使液滴在中心区域产生振荡现象,呈现不稳定性特征,且该特征随负效应增强而愈加明显.在正负两种体系下,Marangoni作用力均是促使液滴横向演化的主要驱动力.

Marangoni效应对等曲率弯曲界面凝固过程的影响

用渐近方法和相场数值模拟分别研究了球状晶体和柱状晶体凝固过程中,固液界面表面张力随温度的变化对界面运动的影响.结果表明Marangoni效应将增大临界晶核半径,减缓界面运动速度.在静止熔体中,枝晶尖端生长速度随Marangoni数线性下降.渐近展开和相场模拟得到的结果定性是一致的.

受热降膜Marangoni效应临界状态表征

采用红外热成像技术,研究了水和Na2SO4水溶液受热降膜的Marangoni效应及对降膜流动的影响。发现在降膜的流向和径向都存在热Marangoni效应,但Marangoni数却不能较好地表征Marangoni效应对液膜流动的影响程度。因而引入Marangoni效应影响因子ε。结果表明,ε能较好地表征Marangoni效应对液膜流动的影响程度,且不同溶液受热降膜存在一个近似相同的临界值(εLc)。当εL>εLc,降膜流向热Marangoni效应将引起降膜明显的扰动。根据εLc值,可获得临界Marangoni数MaTc,L。

Marangoni效应对降膜过程液体分布的影响

采用红外热成像技术测量液膜表面温度分布和流动区域,确定液膜在固体壁面上的润湿面积,以分析液体在设备内的分布性能以及液膜表面的温度梯度,进而明确温度分布与液体分布之间的相互影响关系.实验发现液膜径向温度梯度引起的表面张力梯度,造成径向Marangoni流,影响液膜在固体壁面上的分布.在Marangoni效应的作用下,加热(冷却)能够减小(扩大)液体在固体壁面上的润湿面积.正体系(冷却降膜)中,流量能够促进温度梯度造成的Marangoni效应,而在负体系(受热降膜)中,较大的流量抑制了Marangoni效应.

Marangoni效应对降膜流动影响的模拟研究

采用计算流体力学的方法,提出了1个三维模型来研究竖直板上受热和受冷降膜的Marangoni效应对降膜流动的影响,得到了液膜表面温度、速度、涡量以及润湿面积比等参数随时间变化关系.模拟结果表明,液膜受冷其润湿面积增大,受热收缩.Marangoni效应在液膜的水平方向表现得更加明显,受热液膜径向修正Marangoni数为轴向修正Marangoni数的8倍.受热液膜表面波动加强,边缘处涡量增大,而液膜主体流向速度由于受到液膜收缩的影响也增大.