Устойчивость термокапиллярной конвекции при колебании свободной поверхности под действием вибрации и рост кристаллов методом плавающей зоны в этих условиях

Г.А. Долгих,  А.И. Феонычев (Москва)

Для реализации потенциальных возможностей выращивания кристаллов методом плавающей зоны в условиях микротяжести необходимо решить несколько серьезных проблем, одной из которых является воздействие вибрации. Численное исследование воздействия осевой вибрации на жидкий столбик показало [1], что колебания свободной поверхности имеют специфические особенности, не описываемые существующими аналитическими решениями: образование нескольких стоячих волн, колебания свободной поверхности на частотах, меньших приложенной частоты вибрации. В работе [2] представлены методические расчеты термокапиллярного течения и переноса примеси, не связанные с реальными вибрациями.

В настоящей работе представлены результаты расчета амплитуд и частот колебаний свободной поверхности жидкого столбика, полученные с помощью нового аналитического решения, учитывающего особенности, обнаруженные в численных расчетах. Установлена связь амплитуд и частот стоячих волн на свободной поверхности с параметрами вибрации и физическими свойствами жидкости. Решение проверено сравнением с данными численных расчетов и эксперимента, проведенного по программе TEXUS.

Проведен нелинейный численный анализ устойчивости термокапиллярной конвекции при различных значениях числа Марангони, амплитуд и частот вибрации. Показано, что при заданном вибрационном ускорении существуют предельная частота, выше которой вибрация не влияет на термокапиллярное течение. Определены пороговые частоты, за которыми происходит резкое нарушение устойчивости термокапиллярного течения и переход к осциллирующему режиму. Между этими частотами заключена зона, где структура термокапиллярного течения изменяется, но колебания скоростей и температуры невелики, а перенос примеси на границе кристаллизации меняется незначительно.

Обсуждаются возможности использования жидкого столбика для калибровки микроакселерометров в области низких частот.

Работа выполнена при поддержке ИНТАС (проект INTAS-2000-0617).

 

1. Feonychev A.I. et al. NASA Conference Publication 3338, 493-498 (1996).

2. Феонычев А.И., Долгих Г.А. Космические исследования, том 39, № 4, с. 400-406 (2001).