2實驗結果及分析

實驗中,上下層總厚度h=h1+h2保持不變,為8.56mm;通過大範圍的變化厚度比hr(0.25~4.01),得到了4種臨界附近的對流模式。通過和兩層流體中的Rayleigh-Bénard對流對比,得到了界麵張力在不同的厚度比體係中發揮的作用,借助Bond數很好地解釋了實驗中出現的各種對流模式。由於機械耦合模式,熱耦合模式和振蕩模式不能完整準確的描述本次實驗中所有的對流模式,所以在3種基本對流模式的基礎上結合實驗觀測現象重新分類。為了和相關的理論和實驗對比,引入無量綱波數:a=πh1/l,為下層渦胞的平均寬度,h1為下層液體厚度。

2.1I類機械耦合

此類對流的主要特征是上層對流強度遠遠小於下層對流強度(速度大小不在一個量級),上層近似靜止;盡管上層對流強度很小,但是渦胞的旋轉方向和下層相反。

圖5給出了hr=0.25,溫差ΔT=0.80℃體係的速度場。由於Ra_r≈0,下層對流強度遠大於上層;Bo1=14.2,所以下層對流以浮力對流為主。下層對流渦胞的平均寬度約為5.6mm,波數α=3.8。

2.2II類機械耦合

此類對流主要特征是下層對流強度略強於上層對流,上層對流渦胞僅僅在界麵附近出現,其他區域近似靜止,上下層對流渦胞旋轉方向相反。

圖6給出了hr=1.27、溫差ΔT=2.46℃的速度場。此時Ra_r=0.76,下層對流強度略大於上層;Bo1=4.32,下層對流由界麵張力和浮力共同驅動;其渦胞的平均寬度約為4.5mm,波數為α=2.6,和Wayne實驗觀測值接近。上層對流是由粘性力、界麵張力,浮力耦合引起的,其對流渦胞呈三角形,高度約為2mm,小於上層液體厚度;除渦胞以外區域的速度都非常小,可以近似靜止。

2.3I類振蕩模式

此類對流的特征是上下層對流強度相等,流場結構是三層渦胞形式,由於上下層對流競爭,這種流場結構很不穩定,當溫差保持不變時,流場隨時間急劇地變化。震蕩的周期性沒有在實驗中發現。

圖7給出了hr=2.34溫差ΔT=4.11℃的速度場。盡管Ra_r=8.88≫1,但由於界麵張力的作用,使得上下層流場強度接近。Bo1=1.99,下層對流由浮力和界麵張力共同啟動;渦胞的平均寬度為3.75mm,波數α=2.1。Bo2=8.14,上層以浮力對流為主,其主渦胞的寬度為下層渦胞的2倍。由於上下層對流相互競爭,在界麵附近出現小渦胞,其高度約為1mm,寬度和下層渦胞接近。

2.4II類振蕩模式

此類對流的主要特征以下層對流強度弱於上層,下層渦胞的寬度變化範圍大。

圖8給出了hr=2.64、溫差ΔT=4.33℃的速度場。Ra_r=14.35,下層對流強度小於上層對流強度;Bo1=1.67,下層對流由界麵張力和浮力共同啟動;下層對流渦胞寬度大小不均勻,大的約為5mm,小的約為2mm;波數3.75>α>1.5。Bo2=8.72,上層以浮力對流為主。界麵上下的速度方向,有的地方相同,但有的地方相反;相關文獻根據這一特征定義為振蕩模式。

2.5熱耦合

此類對流的特征是下層對流強度遠小於上層對流強度。

圖9給出了hr=4.01、ΔT=2.97℃的速度場。Ra_r=20.06,上層對流強度遠遠大於下層對流。Bo1=0.88,下層沒有流動的原因是因為上層的粘性力不能克服界麵張力帶動下層流動;同時界麵張力和浮力也不能克服粘性力和熱傳導效應,引起對流。Bo2=10.61,上層以浮力對流為主;其渦胞的寬度約為7.5mm。盡管下層近似靜止,但是根據理論研究表明,此時下層渦胞的旋轉方向和上層相同。在液體覆蓋晶體生長技術中,就是要利用覆蓋層來抑製被覆蓋層的對流,所以這一類對流滿足這一要求。

3結論

利用PIV技術,研究了互不相溶兩層液體的Bénard-Marangoni對流,得到了不同厚度比的臨界附近對流模式。在原有三種模式的基礎上考慮上下層對流強度比對所觀測到的模式進行了分類。當hr=0.25時,對流模式為I類機械耦合;其上層對流強度遠小於下層對流強度,並且上層近似靜止。當hr=1.27時,對流模式為II類機械耦合;其上層僅僅在界麵附近出現對流渦胞,強度略小於下層。當hr=2.34時,對流模式為I類振蕩對流;其上下層對流強度非常接近;上下層對流競爭產生了界麵渦胞。當hr=2.64時,對流模式為II類振蕩對流;其上層對流略大於下層,下層波數變化範圍比較大(渦胞形狀變化大),且界麵附近上下層的速度方向有的相同,有的相反。當hr=4.01,對流模式為熱耦合,上層對流遠大於下層,下層可以近似靜止。由於界麵張力在Bénard-Marangoni對流中的作用,使得上下層對流強弱不能從是否大於1來判斷。同時界麵張力對上下層浮力對流不同作用效果使得Bénard-Marangoni對流係統的震蕩區域大於Rayleigh-Bénard對流係統的震蕩區域。