2实验结果及分析

实验中,上下层总厚度h=h1+h2保持不变,为8.56mm;通过大范围的变化厚度比hr(0.25~4.01),得到了4种临界附近的对流模式。通过和两层流体中的Rayleigh-Bénard对流对比,得到了界面张力在不同的厚度比体系中发挥的作用,借助Bond数很好地解释了实验中出现的各种对流模式。由于机械耦合模式,热耦合模式和振荡模式不能完整准确的描述本次实验中所有的对流模式,所以在3种基本对流模式的基础上结合实验观测现象重新分类。为了和相关的理论和实验对比,引入无量纲波数:a=πh1/l,为下层涡胞的平均宽度,h1为下层液体厚度。

2.1I类机械耦合

此类对流的主要特征是上层对流强度远远小于下层对流强度(速度大小不在一个量级),上层近似静止;尽管上层对流强度很小,但是涡胞的旋转方向和下层相反。

图5给出了hr=0.25,温差ΔT=0.80℃体系的速度场。由于Ra_r≈0,下层对流强度远大于上层;Bo1=14.2,所以下层对流以浮力对流为主。下层对流涡胞的平均宽度约为5.6mm,波数α=3.8。

2.2II类机械耦合

此类对流主要特征是下层对流强度略强于上层对流,上层对流涡胞仅仅在界面附近出现,其他区域近似静止,上下层对流涡胞旋转方向相反。

图6给出了hr=1.27、温差ΔT=2.46℃的速度场。此时Ra_r=0.76,下层对流强度略大于上层;Bo1=4.32,下层对流由界面张力和浮力共同驱动;其涡胞的平均宽度约为4.5mm,波数为α=2.6,和Wayne实验观测值接近。上层对流是由粘性力、界面张力,浮力耦合引起的,其对流涡胞呈三角形,高度约为2mm,小于上层液体厚度;除涡胞以外区域的速度都非常小,可以近似静止。

2.3I类振荡模式

此类对流的特征是上下层对流强度相等,流场结构是三层涡胞形式,由于上下层对流竞争,这种流场结构很不稳定,当温差保持不变时,流场随时间急剧地变化。震荡的周期性没有在实验中发现。

图7给出了hr=2.34温差ΔT=4.11℃的速度场。尽管Ra_r=8.88≫1,但由于界面张力的作用,使得上下层流场强度接近。Bo1=1.99,下层对流由浮力和界面张力共同启动;涡胞的平均宽度为3.75mm,波数α=2.1。Bo2=8.14,上层以浮力对流为主,其主涡胞的宽度为下层涡胞的2倍。由于上下层对流相互竞争,在界面附近出现小涡胞,其高度约为1mm,宽度和下层涡胞接近。

2.4II类振荡模式

此类对流的主要特征以下层对流强度弱于上层,下层涡胞的宽度变化范围大。

图8给出了hr=2.64、温差ΔT=4.33℃的速度场。Ra_r=14.35,下层对流强度小于上层对流强度;Bo1=1.67,下层对流由界面张力和浮力共同启动;下层对流涡胞宽度大小不均匀,大的约为5mm,小的约为2mm;波数3.75>α>1.5。Bo2=8.72,上层以浮力对流为主。界面上下的速度方向,有的地方相同,但有的地方相反;相关文献根据这一特征定义为振荡模式。

2.5热耦合

此类对流的特征是下层对流强度远小于上层对流强度。

图9给出了hr=4.01、ΔT=2.97℃的速度场。Ra_r=20.06,上层对流强度远远大于下层对流。Bo1=0.88,下层没有流动的原因是因为上层的粘性力不能克服界面张力带动下层流动;同时界面张力和浮力也不能克服粘性力和热传导效应,引起对流。Bo2=10.61,上层以浮力对流为主;其涡胞的宽度约为7.5mm。尽管下层近似静止,但是根据理论研究表明,此时下层涡胞的旋转方向和上层相同。在液体覆盖晶体生长技术中,就是要利用覆盖层来抑制被覆盖层的对流,所以这一类对流满足这一要求。

3结论

利用PIV技术,研究了互不相溶两层液体的Bénard-Marangoni对流,得到了不同厚度比的临界附近对流模式。在原有三种模式的基础上考虑上下层对流强度比对所观测到的模式进行了分类。当hr=0.25时,对流模式为I类机械耦合;其上层对流强度远小于下层对流强度,并且上层近似静止。当hr=1.27时,对流模式为II类机械耦合;其上层仅仅在界面附近出现对流涡胞,强度略小于下层。当hr=2.34时,对流模式为I类振荡对流;其上下层对流强度非常接近;上下层对流竞争产生了界面涡胞。当hr=2.64时,对流模式为II类振荡对流;其上层对流略大于下层,下层波数变化范围比较大(涡胞形状变化大),且界面附近上下层的速度方向有的相同,有的相反。当hr=4.01,对流模式为热耦合,上层对流远大于下层,下层可以近似静止。由于界面张力在Bénard-Marangoni对流中的作用,使得上下层对流强弱不能从是否大于1来判断。同时界面张力对上下层浮力对流不同作用效果使得Bénard-Marangoni对流系统的震荡区域大于Rayleigh-Bénard对流系统的震荡区域。