Thermocapillary convection in an open cylindrical annulus heated from the inside wall is investigated by two-dimensional numerical simulations. The deformable free surface is obtained as a solution of the coupled transport equations at fixed Prandtl and aspect ratio. Only steady convection can be realized in this axisymmetric computations with either non-deformable or deformable surfaces. Dynamic free-surface deformations do not induce transitions to oscillatory convection even at large Reynolds numbers. Free surfaces are convex near the cold wall due to the stagnation point, and concave near the hot wall. Free surface deformation increases with increasing Ca at a fixed Re. Two peaks appear at the free surface with low Re, while additional ripples, four peaks, occur at larger Re. Thermocapillary convection in the open annulus interior is insensitive to variations in Ca.
n a enclosed square cavity occurred B nard convection, the flow phenomena in the surrounding of the bubble attached at the upper cooled solid wall were studied by using a thermo-sensitive liquid-crystal tracer and image processing techniques. This method offers the advantage of measuring the entire flow field in a selected plane within the fluid at a given instant of time in contrast to point by point method like T/C. Quantitative data of the temperature were obtained by applying a colour-image-processing to the visualized image. As the flowing in a bubble, In a bubble size appears the flow phenomena which the direction of flow is reversed in the entire temperature and flow field. The observed phenomena are described with regard to the thermocapillary convection.
한국전산유체공학회 2003년도 The Fifth Asian Computational Fluid Dynamics Conference
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pp.160-161
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2003
Thermocapillary convection is a surface tension driven flow due to a temperature gradient along an interface. It occurs during a crystal-growth process and therefore understanding the convection is important to material processing in microgravity. Although modelling of the float-zone crystal-growth process has been of interest for a few decades, most studies of liquid bridges assumed non-deformable flat surfaces. In reality, the surface profile, g(t,z), is unknown and should be obtained as a solution to the coupled transport equations along with the surface force balance. Here we report on a numerical study of axisymmetric thermocapillary convection in liquid bridges with deformable surfaces. The interface is determined as part of the complete solution. The influence of the capillary number (Ca), Reynolds number (Re), Prandtl number (Pr) and aspect ratio(Ar) on the dynamics is explored.
A numerical analysis of thermal stress over temperature variations near the crystal-melt interface is carried out for a floating-zone growth of Cadmium Telluride (CdTe). Thermocapillary convection determines crystal-melt interfacial shape and signature of temperature in the crystal. Large temperature gradients near the crystal-melt interface yield excessive thermal stresses in a crystal, which affect the dislocations of the crystal. Based on the assumption that the crystal is elastic and isotropic, thermal stresses in a crystal are computed and the effects of operating conditions are investigated. The results show that the extreme thermal stresses are concentrated near the interface of a crystal and the radial and the tangential stresses are the dominant ones. Concentrated heating profile increases the stresses within the crystal, otherwise, the pulling rate decreases the stresses.
A numerical study on oscillatory thermocapillary flow in half-zone has performed to understand the effect of axial rotation. 2d unsteady code is developed to observe the onset of oscillation. 2cs Silicone oil with Prandtl number of 26.5 is used as a working fluid. The critical temperature difference at onset of oscillation is investigated under the different aspect ratios and rotation modes. It is shown that the onset of oscillation is delayed when aspect ratio reduces and rotating speed increases. The oscillatory flow is strongly reduced under top rotation and co-rotation modes, while it is augmented under bottom rotation and counter-rotation modes. It is thought that interaction between return flow and bottom wall is important to explain the oscillatory flow.
In a square cavity, the flow phenomena in the surrounding of the bubble attached at the upper cooled solid wall were studied by using a thermo-sensitive liquid-crystal tracer and image processing techniques. This method offers the advantage of measuring the entire flow field in a selected plane within the fluid at a given instant of time in contrast to point by point method like T/C. Quantitative data of the temperature were obtained by applying a colour-image-processing to the. visualized image. As the growing of a bubble, In a bubble size appears the flow phenomena which the direction of flow is reversed in the entire temperature and flow field. The observed phenomena are described with regard to thermocapillary convection.
Experimental investigation was made to study the mechanism of fluid and thermal oscillation phenomena of surface-tension driven flow in a cylindrical liquid column heated from above which is the low-gravity floating zone simulated on earth. Hexadecane, octadecane, silicon oil (10cs), FC-40 and water are used as the test liquids. The onset of the oscillatory thermocapillary convection appears when Marangoni number exceeds its criteria value and is found to be due to the coupling among velocity and temperature field with the free surface deformation. The frequency of temperature oscillation decreases with increasing aspect ratio for a given diameter and Marangoni number and the oscillation level increases with Marangoni number. The flow pattern in the liquid column appears either as symmetric or asymmetric 3-D flow due to the oscillatory flow in the azimuthal direction. The free surface deformation also occurs either as symmetric or asymmetric mode and its frequency is consistent with those of flow and temperature oscillations. The amplitude of surface deformation also increases with Marangoni number.
Laser melting problems with deformed substrates are investigated by axisymmetric numerical simulations. Source-based method is used to solve the energy equation, and the momentum equations are solved in the liquid domain with SIMPLER algorithm. Using a laser beam with a top-hat heat flux distribution, this study is performed to examine the effect of surface deformation, beam power density and surface tension force on the melt pool during laser melting. Surface temperature decreases with increasing surface deformation, while surface velocity increases. It is found that surface deformation, beam power density and surface tension force have a very significant effect on heat transfer and fluid flow during laser melting.
Laser melting problems with deformed substrates are investigated by axisymmetric numerical simulations. Source-based method is used to solve the energy equation, and the momentum equations are solved in the liquid domain with SIMPLER algorithm. Using a laser beam with a top-hat heat flux distribution, this study is performed to examine the effect of surface deformation, beam power density and surface tension force on the molten pool during laser melting. Surface temperature decreases with increasing surface deformation, while surface velocity increases. It is found that surface deformation, beam power density and surface tension force have a very significant effect on heat transfer and fluid flow during laser melting.
Hydrodynamic Thermal Capilary Model developed previously has been modified to study the transport phenomena in the Czochralski process. Our analysis is focused on the heat transfer in the system, convection in the melt phase, and the meniscus and interface shape. Four major forces drive melt flow in the crucible, which include thermal buoyancy force in the melt, thermocapillary force along the curved meniscus, crucible rotation and crystal rotation. Individual flow mechanism due to each driving force has been examined to determine its interaction with the meniscus and interface shape. A nominal 4-inch-diameter silicon crystal growth process is chosen as a subject for analysis. Heater temperature profile for constant diameter crystal is also present as a function of crystal height or fraction solidified.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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