Czochralski法是工程上最常用的晶体生长方法之一,在这种生长方法中,坩埚内的熔体流动及其稳定性将直接影响晶体生长质量和晶体尺寸。在二元晶体Czochralski法生长过程中,低温结晶界面与高温坩埚之间存在温度差;同时,由于结晶界面处偏析效应或不溶性杂质的存在,使得结晶界面与坩埚之间会产生浓度差。这种温度差和浓度差会在熔体自由表面上产生表面张力梯度,从而驱动熔体流动,形成耦合的热毛细和溶质毛细对流。在常重力条件下,不均匀的温度场和浓度场还会产生一个不均匀的密度场,从而形成耦合的热浮力和溶质浮力对流。从工业生产过程来看,为了提高晶体质量,迫切需要深入研究坩埚内热毛细对流、溶质毛细对流、热浮力对流和溶质浮力对流相互耦合时熔体的流动特性,分析流动失稳机理和流型演变过程,探索晶体生长过程中控制熔体流动的方法。从理论上来看,研究耦合热-溶质毛细-浮力对流不仅可以拓展热毛细对流的研究领域,而且有可能发现新的流型及失稳机理,因此,也具有重要的学术意义。本文采用实验和数值模拟相结合的方法,对环形液池内双组分溶液耦合热-溶质毛细-浮力对流进行了系统研究,测得了几组双组分溶液的基本物性参数,获取了各种条件下的流型结构、流型演变临界条件、内部流场、温度场和浓度场等,揭示了流动失稳的物理机制和流型转变规律。主要研究内容和研究结果如下:(1)采用3S表面张力测试仪和TC 3010L液体导热系数仪测量了甲苯/正己烷、正癸烷/正己烷和苯/正庚烷等双组分溶液在不同温度和浓度条件下的表面张力、导热系数和比热容等物性参数。对表面张力实验结果进行线性拟合,获得了双组分溶液表面张力温度系数和表面张力浓度系数。结果表明,正癸烷/正己烷、甲苯/正己烷、苯/正庚烷和四氯化碳/正庚烷四种双组分溶液表面张力温度系数均为正值,表面张力浓度系数均为负值,即表面张力随温度的升高而减小,随浓度的增加而增大。(2)采用实验和数值模拟相结合的方法研究了仅有径向温度梯度时环形液池内中等普朗特数双组分溶液耦合热毛细-浮力对流,重点分析了热毛细雷诺数、Soret效应(初始浓度)和环形液池深宽比对双组分溶液热毛细-浮力对流的影响。结果表明,当热毛细雷诺数较小时,双组分溶液热毛细-浮力对流为二维轴对称稳态流动。随着热毛细雷诺数的增大,在二维稳态流动主流胞内会出现内嵌同向旋转的二次流胞,其强度会随之增强。当热毛细雷诺数进一步增大时,双组分溶液热毛细-浮力对流会演变为热流体波形式的非稳态流动。流动失稳后,热毛细-浮力对流随热毛细雷诺数的增大依次经历单周期振荡流动、拟周期振荡流动和混沌流动状态。由于双组分溶液中存在Soret效应,在环形液池内壁附近的浓度大于外壁附近浓度,在自由表面上会出现与温度波动类似的浓度波动。双组分溶液流动失稳的临界热毛细雷诺数随液池深宽比和初始浓度的增加而减小。相同条件下双组分溶液临界热毛细雷诺数小于纯工质临界值,Soret效应促进了流动失稳。(3)采用数值模拟研究了毛细比为-1时环形液池内1.99%硅-锗熔体耦合热-溶质毛细-浮力对流。熔体普朗特数为0.00637,刘易斯数为2197.8,其热扩散能力远大于溶质扩散能力,因此,当毛细比为-1时,耦合热-溶质毛细-浮力对流总是会发生。在不同的热毛细雷诺数和深宽比下,环形液池内耦合热-溶质毛细-浮力对流将呈现四种流型,分别是二维稳态流动、花瓣状流型、花苞状流型和轮辐状流型。当毛细比稍微偏离-1时,所有流型在结构上是不变的,但是流型的特征参数会发生微弱的变化。当液池深宽比为0.05时,随着热毛细雷诺数的增大,双组分溶液耦合热-溶质毛细-浮力对流出现了由非稳态的花瓣状流型向稳态的轮辐状流型的逆转变现象。(4)对不同毛细比和深宽比下1.99%硅-锗熔体耦合热-溶质毛细-浮力对流进行了数值模拟。结果表明,当热毛细雷诺数较小时,流动为二维稳态流动。随着毛细比的减小,二维稳态流动会经历三个阶段,分别为单逆时针旋转流胞、顺时针和逆时针旋转流胞共存、以及单顺时针旋转流胞,其中,逆时针和顺时针旋转流胞的驱动力分别是热毛细力和溶质毛细力。除了毛细比为-1的特殊工况外,随着热毛细雷诺数的增大,二维稳态流动均会演变为轮辐状流型。由二维稳态流动转化为三维流动的临界热毛细雷诺数随毛细比的增加而增大,随深宽比的增大而减小。在不同的毛细比和热毛细雷诺数下,环形液池内会呈现出七种三维流型,即花瓣状流型、轮辐状流型、花苞状流型、流体波、猫耳状流型、靶状流型和铜钱状流型。毛细比和深宽比越小,液层内流型越丰富,演变过程越复杂。