界面张力引起的流动及界面特征研究

通过对单层流体浮力－热毛细对流和两层流体 B$\acute{\rm e}$nard-Marangoni对流的实验研究，探讨界面张力梯度引起的自然对流的特征及机理问题。考虑到表面张力是温度的函数，对上面是空气(或其蒸汽)的薄液层，加载水平温度梯度将使得气液表面上表面张力分布不均匀，耦合于地面的重力作用，将会驱动薄层流体形成浮力－热毛细对流运动。液层厚度和温度梯度的改变(引起系统长高比、Bond数、Rayleigh数以及Marangoni数的变化)直接影响到薄层流体的对流模式的变化，还可能使得浮力－热毛细对流从稳定发展到不稳定。本研究中以硅油为实验介质，应用高分辨率PIV技术对薄层流体的对流速度场进行了测量，观察到了对流由单胞结构向多胞结构以及由稳定对流向振荡对流的转捩过程，分析给出了对流模式结构变化的规律以及状态转变的临界参数。在浮力－热毛细对流发展过程中，流体表面的变形(形貌)和表面振荡直接反映了热毛细作用与浮力作用的耦合规律以及热毛细对流表面波的基本特征。实验中应用激光干涉技术以及高精度位移传感器对薄液层体系(液层厚度1mm$\sim$5mm)作了系统的研究，获得了微米量级面形形貌变化规律及其亚微米尺度的表面振荡特性。用FFT以及小波分析方法研究了流体自由面振荡的分岔转捩过程及通往混沌的转捩途径。该研究对理解流体热毛细对流的机理具有重要的意义。在自然界里和工程技术中，多层流体体系对流现象更为普遍。近20年来，互不混溶的两层液体体系成为了很多理论和实验研究的重要对象，其主要原因有：(1)在两层流体体系中，由于上下层对流的耦合作用，在临界点上存在HOPF分叉，使得两层模型成为非线性理论研究的理想模型；(2)两层流体模型被应用于地壳运动的研究和空间晶体生长等领域。近年，很多学者通过理论分析和数值模拟对加载垂直温度梯度的上下两层流体B$\acute{\rm e}$nard-Marangoni对流问题进行了研究。上下液层对流的耦合与竞争可以导致上下液层出现多种对流耦合模式和振荡规律，外加温差、液层厚度以及液层厚度比的变化是形成不同对流模式的重要因素。本研究以FC70和KF90-10为实验介质，应用高分辨率PIV技术对两薄层流体B$\acute{\rm e}$nard-Marangoni对流进行了测量，从实验中清晰地观测到了3种临界对流模式：机械耦合、热耦合、临界振荡，分析给出了3种对流转换的临界参数，发现临界振荡可以在峰值液层厚度比附近一个较大的区域范围出现，并且峰值厚度比远离平衡厚度比，这些结果与目前的理论研究有明显的的差异。总之，两种不同外加温度梯度方式，会导致两种不同机制的对流--热毛细对流和Marangoni对流，他们是微重力流体物理研究的重要内容。

国家自然科学基金(10432060和10672171)