浮区法制备高质量单晶体完全依靠自身表面张力作用,生长单晶熔体未直接与坩埚接触,从而避免了错位晶体的不完整性和坩埚材料对熔体的污染。在地面实验中,为简化浮区法制备晶体的过程,同时又为了抑制熔体中产生浮力对流,取全浮区的下半段作为半浮区液桥进行实验研究。对液桥上盘加热,使上下盘产生一定的温差成为非等温液桥后,液桥内部会产生涡状流动,称为热毛细对流。热毛细对流,又称Marangoni对流,是由于气液自由表面温度分布的不均匀而引起表面张力分布的不均匀进而驱动的流动现象。当表面张力超过液体粘滞力时,就会驱动液体流动,当上下盘温差ΔT超过某个临界值时,液桥内部的热毛细对流将从稳态流转变为振荡流,这直接影响结晶过程。另外,在地面实验研究以及晶体制备中,液桥中会产生由于重力作用所引起的浮力对流,浮力-热毛细对流的耦合作用也会影响晶体制备的质量。所以研究液桥内部的热毛细对流以及浮力-热毛细对流耦合具有理论和应用意义。本实验采用流型可视化和追踪测速的方法研究了 10cSt硅油(Pr=105)半浮区液桥内部的热毛细对流和浮力-热毛细对流的流型结构和流速分布。对于热毛细对流的研究,不仅定性地研究了稳态流和振荡流的流型结构,还定量地研究了稳态流中流速的分布状况以及上下盘温差ΔT对流速分布的影响。对于浮力-热毛细对流的耦合,详细探讨了上下盘温差ΔT、高径比A、体积比V和上下盘直径D等变量对其流型结构的影响。通过系统的实验分析得到以下结论:1.对于热毛细对流稳态流,表面流流速大于镰状回流流速;表面流合速度只取得一个峰值,镰状回流合速度取得两个峰值。同一温差下的镰状回流区域,从涡心到中轴,不同流层间的流速先增大后减小。温差越大,流速越大,且回流近涡心区域流速增大的幅度比回流远涡心处增大的幅度大。2.当液桥上下盘温差ΔT超过临界温差(ΔT)c时,热毛细对流会从沿中轴对称的二维的不依赖时间的稳态流转变为不沿中轴对称的三维的随时间周期性变化的振荡流。在振荡流的二维图像中,流型表现为左右两边的热毛细对流涡周期性地膨胀或缩小;在振荡流的三维图像中,流型表现为热毛细对流涡沿斜轴流动的同时,斜轴沿中轴做圆锥运动。3.在重力场条件下,增大上下盘温差ΔT会增强液桥内部的浮力作用。随着上下盘温差ΔT的增大,大直径大体积比的液桥内部的流型结构一共经历了三个阶段:a.在ΔT较小时,热毛细对流涡向自由表面和上盘方向逐渐收缩;b.当ΔT增大到某个值时,液桥下盘中心区域产生浮力对流涡,并且挤压热毛细对流涡;c.当ΔT>(ΔT)c时,热毛细对流涡和浮力对流涡相互竞争,出现了与热毛细对流的三维振荡模式不同的另一种周期性的振荡现象。4.在重力场条件下,增大液桥系统的径向尺寸(包括上下盘直径D和颈宽dmin)会增强液桥内部的浮力作用。而增大液桥体积比V可以增大颈宽din从而增强浮力作用,增大液桥高径比A会减小颈宽dmin从而削弱浮力作用。