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电磁悬浮是一种十分重要的无容器熔炼技术，它可避免熔融材料受容器壁的污染和异质形核，适用于高活性和高纯度金属的熔炼。另一方面，它还是一种重要的熔体热物性参数测试手段，能够使熔体达到很高的过热度和过冷度，可以测量较宽温度范围内熔体的热物性参数，如表面张力、导热系数、发射率、密度、定压比热容等。准确掌握这些热物性参数对制备高质量半导体单晶体材料及高性能合金材料至关重要。为此，本文以电磁悬浮液滴为研究对象，系统研究了电磁悬浮液滴的振荡变形过程，分析了静磁场对液滴振荡变形及热物性参数测量的影响。
本文首先研究了涡流效应对液滴电磁力和悬浮位置的影响，采用任意拉格朗日欧拉法计算了硅熔体液滴表面的动态变形，分析了不同电流强度和液滴半径情况下涡流效应对液滴流场、温度场和变形的影响。研究发现，涡流效应减小了液滴电磁力和焦耳热的大小，使得液滴的悬浮位置降低，而对液滴内最大速度和最高温度的影响较小，在±1%以内。涡流效应对液滴变形的影响分为两个方面：当液滴悬浮位置较低时，涡流效应减小了水平挤压力，使得液滴变形减弱；当液滴悬浮位置较高时，涡流效应使得液滴悬浮位置下降，增加了水平挤压力，增加了液滴的变形。
在重力环境下，需要较强的电磁力以实现液滴悬浮，在悬浮过程中往往伴随着强烈的对流和振荡变形。本文研究了不同电流强度和液滴半径下硅熔体液滴的悬浮位置，进一步分析了它们对液滴内流场和温度场及振荡变形的影响，并对比了考虑变形和不考虑变形情况下液滴内的流场和温度场。研究发现，随着电流强度的增加，液滴悬浮位置逐渐升高，液滴内对流强度减弱、温度降低、变形率逐渐减小；而随着液滴半径的增加，液滴底部位置先增加后减小，液滴内对流强度、变形率及最高温度都先减小而后逐渐增加。在不考虑变形情况下，液滴内对流强度和温度都小于变形的情况，随着电流强度和液滴半径的增加，两者之间的差异逐渐减小。
其次，分析了竖直磁场对液滴振荡变形过程的影响。研究发现随着磁感应强度的增加，液滴振荡幅度减小，同时振荡过程中的动态变形减小，液滴悬浮位置升高，对流受到明显抑制，但此时温差增大，Marangoni效应增强。当磁感应强度较小时，静磁场对液滴变形和对流的抑制作用较弱，此时Marangoni效应加剧了液滴变形，但由于液滴内存在强烈对流，温差较小，热毛细对流较弱；随着磁感应强度的增加，液滴变形受到明显抑制，Marangoni效应对变形的影响减小，同时由于液滴内对流被抑制，温差增加，在液滴赤道表面附近出现了热毛细对流。
为了验证竖直磁场对电磁悬浮液滴振荡变形的影响，在竖直磁感应强度为0T-3T的范围内实验观测了Cu80Co20液滴的振荡变形过程，提取了液滴振荡变形过程的长轴长度Dmax、面积Area、长短轴之和R+、长短轴之差R-和旋转角θ等特征参数，识别了液滴的振荡模式，分析了静磁场对液滴振荡模式的影响。研究发现：随着静磁场的增加，液滴各特征参数的振荡幅值迅速减小，但是在0.3T和1.0T附近出现反常，振荡幅值出现小范围上升。当磁感应强度小于0.3T时，液滴的m=0、±1、±2振荡模式易于区分，而随着磁感应强度的增加，只有m=±2振荡模式继续存在。另外通过液滴的振荡频率计算了其表面张力，发现在 0-0.3T 时，随着静磁场的增加，表面张力持续增加，当磁感应强度大于0.3T时，其表面张力逐渐减小并保持稳定。
而后，采用数值模拟的方法，通过对比导热模型中激光频率f和相位差Δ?s关系曲线，得到了有效导热系数。研究发现，影响f-Δ?s曲线的主要因素包括液滴的导热系数、发射率、液滴尺寸、液滴内的对流和液滴的变形。其中，激光频率较低时，发射率的影响较大，导热系数的影响较小；随着激光频率的增加，发射率的影响逐渐减小，导热系数的影响越来越大。另外液滴半径和液滴内对流对于f-Δ?s曲线有重要影响：随着液滴半径的增加，Δ?s显著增加；随着磁感应强度的增加，液滴内的对流逐渐减弱，f-Δ?s曲线逐渐重合。对于硅熔体液滴，在本文的计算参数下，当磁感应强度达到4T时，其有效导热系数与参考导热系数几乎一致，表明此时液滴内的对流传热几乎被抑制。液滴变形对导热系数测量的影响分为两个部分：其一是变形导致液滴内对流加剧，使相位差增加；其二变形导致液滴在竖直方向被拉伸，顶部和底部间的传热路径增加，导致相位差减小。在强磁场的作用下，液滴内对流被完全抑制，但是变形的影响依然存在。当液滴变形率为15.8%时，测量得到的硅熔体的导热系数比参考值低约 20%。因此应当尽量减小实验过程中的液滴变形。
最后，采用三维数值模拟对比了电磁悬浮液滴在竖直磁场、横向磁场和旋转磁场作用下的对流，结果表明：液滴内流场在竖直磁场作用下呈轴对称分布，在每个竖直截面上存在内外分布的两个反向涡流，内部涡流直接将流体从顶部区域带到底部区域。在横向磁场作用下，液滴内部的涡流呈上下分布，有效地抑制了液滴顶部到底部的对流换热。但横向磁场对对流的抑制作用不强，且抑制效果空间分布不均匀。而旋转磁场综合了前两者的优点，明显抑制了液滴内对流，产生了上下分布的反向涡流，表明旋转磁场在熔体导热系数测量中具有潜在的应用价值。此外，旋转磁场会引起液滴周向的强制对流，通过改变旋转频率可以很好地控制液滴周向对流强度，有望在实验中平衡由线圈螺旋性引起的熔体旋转。
本文首先研究了涡流效应对液滴电磁力和悬浮位置的影响，采用任意拉格朗日欧拉法计算了硅熔体液滴表面的动态变形，分析了不同电流强度和液滴半径情况下涡流效应对液滴流场、温度场和变形的影响。研究发现，涡流效应减小了液滴电磁力和焦耳热的大小，使得液滴的悬浮位置降低，而对液滴内最大速度和最高温度的影响较小，在±1%以内。涡流效应对液滴变形的影响分为两个方面：当液滴悬浮位置较低时，涡流效应减小了水平挤压力，使得液滴变形减弱；当液滴悬浮位置较高时，涡流效应使得液滴悬浮位置下降，增加了水平挤压力，增加了液滴的变形。
在重力环境下，需要较强的电磁力以实现液滴悬浮，在悬浮过程中往往伴随着强烈的对流和振荡变形。本文研究了不同电流强度和液滴半径下硅熔体液滴的悬浮位置，进一步分析了它们对液滴内流场和温度场及振荡变形的影响，并对比了考虑变形和不考虑变形情况下液滴内的流场和温度场。研究发现，随着电流强度的增加，液滴悬浮位置逐渐升高，液滴内对流强度减弱、温度降低、变形率逐渐减小；而随着液滴半径的增加，液滴底部位置先增加后减小，液滴内对流强度、变形率及最高温度都先减小而后逐渐增加。在不考虑变形情况下，液滴内对流强度和温度都小于变形的情况，随着电流强度和液滴半径的增加，两者之间的差异逐渐减小。
其次，分析了竖直磁场对液滴振荡变形过程的影响。研究发现随着磁感应强度的增加，液滴振荡幅度减小，同时振荡过程中的动态变形减小，液滴悬浮位置升高，对流受到明显抑制，但此时温差增大，Marangoni效应增强。当磁感应强度较小时，静磁场对液滴变形和对流的抑制作用较弱，此时Marangoni效应加剧了液滴变形，但由于液滴内存在强烈对流，温差较小，热毛细对流较弱；随着磁感应强度的增加，液滴变形受到明显抑制，Marangoni效应对变形的影响减小，同时由于液滴内对流被抑制，温差增加，在液滴赤道表面附近出现了热毛细对流。
为了验证竖直磁场对电磁悬浮液滴振荡变形的影响，在竖直磁感应强度为0T-3T的范围内实验观测了Cu80Co20液滴的振荡变形过程，提取了液滴振荡变形过程的长轴长度Dmax、面积Area、长短轴之和R+、长短轴之差R-和旋转角θ等特征参数，识别了液滴的振荡模式，分析了静磁场对液滴振荡模式的影响。研究发现：随着静磁场的增加，液滴各特征参数的振荡幅值迅速减小，但是在0.3T和1.0T附近出现反常，振荡幅值出现小范围上升。当磁感应强度小于0.3T时，液滴的m=0、±1、±2振荡模式易于区分，而随着磁感应强度的增加，只有m=±2振荡模式继续存在。另外通过液滴的振荡频率计算了其表面张力，发现在 0-0.3T 时，随着静磁场的增加，表面张力持续增加，当磁感应强度大于0.3T时，其表面张力逐渐减小并保持稳定。
而后，采用数值模拟的方法，通过对比导热模型中激光频率f和相位差Δ?s关系曲线，得到了有效导热系数。研究发现，影响f-Δ?s曲线的主要因素包括液滴的导热系数、发射率、液滴尺寸、液滴内的对流和液滴的变形。其中，激光频率较低时，发射率的影响较大，导热系数的影响较小；随着激光频率的增加，发射率的影响逐渐减小，导热系数的影响越来越大。另外液滴半径和液滴内对流对于f-Δ?s曲线有重要影响：随着液滴半径的增加，Δ?s显著增加；随着磁感应强度的增加，液滴内的对流逐渐减弱，f-Δ?s曲线逐渐重合。对于硅熔体液滴，在本文的计算参数下，当磁感应强度达到4T时，其有效导热系数与参考导热系数几乎一致，表明此时液滴内的对流传热几乎被抑制。液滴变形对导热系数测量的影响分为两个部分：其一是变形导致液滴内对流加剧，使相位差增加；其二变形导致液滴在竖直方向被拉伸，顶部和底部间的传热路径增加，导致相位差减小。在强磁场的作用下，液滴内对流被完全抑制，但是变形的影响依然存在。当液滴变形率为15.8%时，测量得到的硅熔体的导热系数比参考值低约 20%。因此应当尽量减小实验过程中的液滴变形。
最后，采用三维数值模拟对比了电磁悬浮液滴在竖直磁场、横向磁场和旋转磁场作用下的对流，结果表明：液滴内流场在竖直磁场作用下呈轴对称分布，在每个竖直截面上存在内外分布的两个反向涡流，内部涡流直接将流体从顶部区域带到底部区域。在横向磁场作用下，液滴内部的涡流呈上下分布，有效地抑制了液滴顶部到底部的对流换热。但横向磁场对对流的抑制作用不强，且抑制效果空间分布不均匀。而旋转磁场综合了前两者的优点，明显抑制了液滴内对流，产生了上下分布的反向涡流，表明旋转磁场在熔体导热系数测量中具有潜在的应用价值。此外，旋转磁场会引起液滴周向的强制对流，通过改变旋转频率可以很好地控制液滴周向对流强度，有望在实验中平衡由线圈螺旋性引起的熔体旋转。