低プラントル数流体における液柱内マランゴニ対流現象の解明

低普朗特数流体液柱中马兰戈尼对流现象的阐明

• 批准号: 05J02377
• 负责人: 白鳥 英
• 金额: $ 1.15万
• 依托单位: Tokyo Metropolitan University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05J02377/
• 关键词: 温度差マランゴニ対流; 流れの不安定性; 低プラントル数流体; 微小重力科学; 半導体結晶成長; ハーフゾーン; 微小重力環境

融液からの半導体結晶成長時には,振動化した温度差マランゴニ対流が不純物縞の生成要因となることが明らかとなっており,このような材料プロセスによる製品の高品質化・技術向上においては,マランゴニ対流の理解と制御が必要不可欠である.金属融体に代表される低プラントル数流体では,これまで実験的研究と数値解析的研究で,流れの駆動力であるマランゴニ数に大きなギャップがあることが相互理解の妨げとなってきた.特に,実験的に低駆動力流れを実現することが戦略的な要求となっている.本研究では,従来用いられてきたハーフゾーン液柱において,自由表面の一部を酸化膜などで覆うことで,実験的に低駆動力流れを実現できる可能性に着目し,このモデルにおける流れの理解を目的とした数値解析的研究を進めてきた.前年度までに,自由表面を局在化した場合には,通常の液柱系では見られない,軸対称定常流から振動流への直接遷移が起こることを見出した.本年度は,この系における不安定性メカニズムについて整理し,体系的な理解を与えることを目的として,さらに詳細なエネルギー解析を広範な幾何学条件について実施した.結論として得られた知見は以下である.低温ディスクと自由表面とが直接接続されているか否かが,不安定性の変化における幾何学的な要件である.直接接続されている場合には,軸対称定常流の安定臨界マランゴニ数が通常のハーフゾーンと同程度で,不安定性メカニズムが常に同一となるため,実験的に低駆動力流れの実現する場合に従来のハーフゾーンの代替として有効であると結論した.流れ場の対称性を表す周方向波数については,幾何学条件への依存性として本研究で経験則を提示した.一方,低温ディスクと自由表面との間に固体膜が設けられている場合には,自由表面を局在化する割合によって,少なくとも4種類の異なる不安定性メカニズムが出現し,このうち2つは通常液柱では見られない振動型の不安定性である.楕円型不安定性が幾何学形状に大きく依存し,遠心力不安定性とのバランスが変化することが,全体との不安定性の多様化において支配的な要因である.これらの成果の一部は日本金属学会,日本機械学会などで報告し,Physics of Fluidsなどの学術雑誌にて発表した.

显然，振荡的温度差异是Marangoni对流是熔体半导体晶体生长过程中杂质边缘形成的一个因素，并且对Marangoni对流的理解和控制对于通过此类材料过程提高产品质量和技术至关重要。对于低女性数量流体（例如金属熔体），Marangoni数字的驱动力（这是流动的驱动力）的较大差距阻碍了相互理解。特别是，实验实现低驱动力流量已成为战略要求。在这项研究中，我们专注于通过氧化物膜或半区域液体柱中的自由表面覆盖自由表面的一部分可以在实验上实现的可能性，该液柱过去曾在过去使用过，并进行了数值分析研究，旨在了解该模型中的流量。在上一年，我们发现自由表面被定位时，从轴对称稳定流到振荡流的直接过渡，这在正常液体柱系统中未见。今年，我们组织了该系统中的不稳定性机制，旨在提供对能量的系统理解。 - 分析是在多种几何条件下进行的。总结得出的发现如下：低温磁盘和自由表面是否直接连接是改变不稳定性的几何需求。直接连接时，轴对称稳定稳定流量的稳定临界Marangoni数量与正常半区域的流量大致相同，并且不稳定性机制始终相同，并且得出的结论是，当在实验中实现低驱动力流动时，它可以有效地作为常规半区域的替代方案。代表流场对称性的圆周波数取决于几何条件。本研究提供了经验法则。另一方面，当在低温磁盘和自由表面之间提供固体膜时，根据位置自由表面的比例，至少有四种不同的不稳定性机制出现，其中两个是振动不稳定的，通常在液柱中通常不会看到。椭圆的不稳定性在很大程度上取决于几何形状，离心不稳定性的平衡是使不稳定性多样化的主要因素。其中一些结果在金属学会和机械工程师协会以及其他物理学上进行了报道。它发表在诸如流体等学术期刊上。

项目成果

Non-contact measurement of surface oscillation due to Marangoni flow instability in a silicon liquid bridge by phase-shift interferometry

通过相移干涉法非接触测量硅液桥中马兰戈尼流动不稳定性引起的表面振荡

• 发表时间: 2005
• 期刊: Journal of Materials Science 40,(9/10)
• 作者: N.Okubo;R.Jono;S.Shiratori;S.Goto;T.Hibiya
• 通讯作者: T.Hibiya

Effect of centrifugal forces on the instability of the thermocapillary flow in partially confined half-zones

离心力对部分受限半区热毛细管流动不稳定性的影响

• 发表时间: 2006
• 期刊: Microgravity Science and Technology 18(3)
• 作者: Suguru Shiratori;Taketoshi Hibiya;Hendrik C. Kuhlmann
• 通讯作者: Hendrik C. Kuhlmann

Linear stability of thermocapillary flow in partially confined half-zones

• DOI: 10.1063/1.2714021
• 发表时间: 2007-04
• 期刊: Physics of Fluids
• 影响因子: 4.6
• 作者: Suguru Shiratori;H. Kuhlmann;T. Hibiya

Experimental study on time evolution of Marangoni flow instability in molten silicon bridge

熔硅桥Marangoni流动不稳定性随时间演化的实验研究

• 发表时间: 2005
• 期刊: Journal of Materials Science 40,(9/10)
• 作者: N.Yamane;K.Nagafuchi;S.Shiratori;H.Okubo;N.Sato;T.Hibiya
• 通讯作者: T.Hibiya