水平温度梯度和垂直温度梯度联合驱动的热毛细对流过程广泛存在于晶体生长、薄膜制备、涂料涂漆等工业生产领域,然而,目前对于有垂直传热的水平液层内热毛细对流特性的了解还很少,所以,研究液池内垂直传热对热毛细对流过程的影响,确定流动由稳态向振荡流动转变的临界条件,分析各种流型之间转变的物理机制,不仅可以丰富热毛细对流理论,而且可以为改进生产过程提供理论依据,因此,具有重要的理论意义和实用价值。本文建立了考虑液池底部加热、自由表面散热的水平液层内热毛细对流的物理模型和数学模型,并进行了系统的二维和三维数值模拟,得到了液层内的温度场和流场,分析了液池宽深比、底部热流密度、Marangoni (Ma)数和Biot (Bi)数等参数对热毛细对流的影响,弄清了稳态和振荡热毛细对流的基本特性。结果表明,(1)当侧壁温差不大时,流动为稳态流动,随着底部加热热流密度的增大,矩形液池内的流动会转化为旋转方向相反的非对称双胞流动,流型转化的临界热流密度随Ma数和Bi数的增加而增大。(2)较小的热流密度对热毛细对流有抑制作用,而当热流密度增加到一定值时,最高温度会出现在液池内部,其值会随Ma数的增大而减小,随宽深比的增大而增大。当出现旋转方向相反的非对称双胞流动时,热壁附近的流胞会随着宽深比的增大而扩展、延伸,随Ma数的增大而后退、收缩。(3)当Ma数较大时,流动会由稳态多胞流动转变为振荡流动,即热流体波,其波长随Ma数的增大而增大,波速和频率则随Ma数的增大而减小。在浅池中,流动转变的临界Ma数随热流密度的增大而先增大后减小,深液池中,临界Ma数随热流密度的增大而单调递增。(4)三维数值模拟所得到的主流截面上的速度场和温度场与二维数值模拟接近,流型完全相同;当热流体波出现时,三维数值模拟所得到的频率、波速和波长也与二维数值模拟结果基本一致,因此,可采用二维数值模拟方法研究矩形液池内的热毛细对流特性以及各种因素对热毛细对流的影响。