加热温度对GOI法生长蓝宝石晶体影响的数值模拟

利用数值模拟分析方法,模拟了通过调节加热温度促进GOI法蓝宝石晶体生长的过程。分析了加热温度变化对晶体生长的固液界面凸出率、晶体内温度分布、温度梯度的影响;热交换器散热参数与加热温度之间的关系。结果表明,在GOI法蓝宝石晶体生长中,合适的降温控制程序有利于提高晶体生长质量,晶体生长速率会随着加热温度的降低而快速增加。在相同降温程序下,较大的热交换器散热能力具有较快的晶体生长速率;低的热交换器散热能力和加热温度有利于降低晶体生长的界面凸出率。     

加热器/坩埚相对位置对ф200mm单晶硅生长过程中温度场和晶体质量的影响

采用CGSim晶体生长软件,对现有工业单晶炉中的加热器位置进行优化并分析了其对热场、固液界面、晶体中温度梯度和氧含量的影响。结果表明,随加热器的上移,功率消耗略有降低,熔体内的温度梯度逐渐下降,在高埚位的生长条件下可以适当提升拉晶速率;同时,固液界面也趋于平坦,晶体中的温度梯度有所减少,从而可以有效地抑制缺陷的形成。另外,晶体中的氧含量也有一定程度的下降。可以得出,在晶体等径生长初期,提高加热器的位置是降低晶体生长成本和提升晶体品质的途径之一。     

直拉单晶硅生长过程中固液界面形状研究

本文采用晶体生长软件CGSim对直拉单晶硅生长过程中固液界面进行了研究。讨论了不同晶体等径长度下固液界面形状的特点,模拟了晶体生长界面的变化过程;与此同时对不同晶体拉速、晶转、埚转对固液界面形状的影响进行研究,根据模拟结果确定影响固液界面的最优拉速、晶转及埚转。     

真空坩埚下降法晶体生长中传热的有限差分数值分析

本文针对目前实用的三种典型的坩埚下降法晶体生长温场形式,采用有限差分数值方法,计算出生长NaCl、CaF_2和YAG等晶体时物料中的温场分布,全面地讨论了各种参数对固液界面形状、位置及轴向温度梯度的影响,指出了在各种温场情况下为得到较为理想的界面形状和轴向温度梯度分布时可供选择的生长条件。     

温度场对白宝石晶体生长质量的影响

熔体提拉法生长晶体时温度场的分布对晶体的质量有着重要影响.采用电阻加热提拉法生长白宝石晶体时,由于腔体内的温度梯度较小,使得晶体的外形难以控制.当液面上坩锅中心附近处的轴、径温度梯度过小时,生长初期放肩就难以控制;且生长晶体的等径度易成螺旋状.当轴、径向温度梯度较大时,虽然晶体外形容易控制,但晶体容易开裂,因而其成品率较低.与此同时晶体的转速决定着固液界面的形状,微凸界面是生长高质量晶体的必要条件.当白宝石晶体外形不好时,其内部容易产生散射颗粒、气泡等缺陷.研究通过调整生长装置和转速,找到了生长优质晶体的温度场.实验获得了Φ60×120mm的优质白宝石晶体.     

ScAlMgO4晶体的生长缺陷

采用提拉法生长出φ30 mm×55mm的ScAIMgO4晶体.在晶体生长过程中有轻微的挥发,粉末X射线衍射分析表明:挥发物质为MgO单相.运用扫描电镜、光学显微镜以及高分辨X射线衍射仪对晶体中的包裹物、开裂、生长条纹和小角晶界缺陷进行了研究.结果表明;温度梯度和热应力是形成晶体中缺陷的主要原因.通过合理设计温场,控制固-液界面的形状及冷却过程的降温速率,可以提高晶体的完整性.     

空间低温氧化物熔体晶体生长的数字模拟研究

地面上 ,由于受浮力对流、分层和沉淀等因素的影响 ,难以阐明晶体生产和凝固现象的本质 ,从而无法获得组份均匀、结构完整和性能优良的材料 ,因此自七十年代以来 ,已进行了大量的空间晶体生长实验 ,但由于对空间环境在晶体生长过程中的流体效应参数缺乏了解 ,实验结果往往与设想的不一致。数字模拟方法可以模拟实际晶体生产过程 ,了解晶体生长参数的变化对晶体生长的影响 ,本文利用数字模拟的方法 ,对本实验室建立的空间三维实时观察装置中 ,低温生产NaNO3熔体晶体中的流体效应及温场进行了数字模拟研究 ,结果表明 ,在地面生长 ,熔体内部存在复杂的双涡流动模式 ,重力对熔体中的温场和速度场的分布产生强烈的作用 ,而在空间 ,当微重力水平达到一定程度时 ,可以使熔体中的流动模式简单化 ,从而降低流动效应对传热、传质造成的不稳定性和不均匀性 ,有利于提高晶体生长的质量。同时通过对流场中的温度分布分析表明 ,降低重力可以明显改变晶体生长固液界面附近的温度梯度 ,并使温场 ,速度场分布朝着稳态生长的方向发展     

碳化硅晶体生长炉辐射换热特性的数值模拟

采用C语言搭建了碳化硅(SiC)晶体生长炉三维温度场数值模拟平台,基于柱坐标系构建生长炉物理模型,采用有限体积法离散数学模型,利用S2S(Surface to Surface)辐射模型考察了生长室内的辐射换热特性,提出判断辐射面可视性的最短距离法. 模拟了电流强度1250 A、电流频率16 kHz条件下的生长炉温度场,定量揭示了生长室内的辐射换热强度;采用标准偏差法研究了线圈结构对晶体内部温度及温度梯度均匀性的影响. 结果表明,螺旋电磁加热线圈容易导致生长炉内部温度场呈非轴对称特性分布;辐射热流较导热热流大102~103倍,辐射换热促使生长室内温度分布均匀;螺旋线圈的布置方式使晶体截面温度呈非轴对称分布,造成温度梯度的均匀性变差,晶体生长过程中容易产生热应力,影响晶体质量.     

温度梯度法生长BaY2F8晶体

应用温度梯度法生长了BaY2F8单晶.实验表明:温度梯度、降温速率、坩埚形状和尺寸是影响BaY2F8晶体生长的重要因素.温度梯度为6 ℃/mm,降温速率小于6 ℃/h,用相对较小的坩埚圆锥角度,可以获得质量较好的BaY2F8单晶体.X射线定向分析表明:温度梯度法生长的BaY2F8晶体的生长轴平行于[001]方向.结合晶体结构图分析,可认为晶体的[001]方向为结构的强键延展方向,是晶体生长的优势方向.     

勾形磁场下重力水平和温度梯度对CdZnTe分离结晶生长的影响

为了了解勾形磁场下相关参数对CdZnTe晶体生长的影响,利用有限元法对坩埚内的热量和动量传递过程进行了全局数值模拟。分析了不同的磁场强度下重力水平、壁面温度梯度对CdZnTe晶体生长过程的影响。结果表明：重力水平存在1个临界值,此时CdZnTe熔体内最大流函数最小,流动最弱。随着温度梯度逐渐增大,熔体内最大流函数也逐渐增大,熔体的流动越来越强,不利于晶体稳定生长。通过施加勾形磁场,能有效抑制熔体内的流动,有利于晶体的稳定生长,为地面条件下制备大尺寸CdZnTe晶体创造了条件。     

Analysis of moving boundary problem of growth of Bismuth germanate crystal by heat exchanger method

Transient two-dimensional model of the growth of BGO crystal by heat exchanger method has been developed. A finite element method with nonorthogonal mapping technique for the solution of the moving boundary problem is developed where the melt/solid interface shape changes from hemispherical to planar. The moving boundary problems for the melt/solid interface location and the temperature field were solved by two mapping rule method which enables the computation of interface shape changing from hemispherical to planar. The maximum deflection of interface is shown when the melt/solid interface meets the corner of crucible. As the excess heating temperature and the heat exchanger temperature were increased, more growth time for whole process is required but the quality of BGO crystal may be improved. The ratio of the height to the radius of crucible hardly affects the deflection of BGO melt/solid interface when it is greater than 1.5. As the cooling zone radius is decreased, maximum deflection is decreased. The heat transfer between the crucible and the heating element should be suppressed to maximize planarity of the interface shape.     

Driving Force of Crystallization Based on Diffusion in the Boundary and the Integration Layers

Crystal growth rates are notoriously difficult to predict and even experimental data are often inconsistent. By allowing for mass and energy diffusion through the molecular and thermal layers surrounding a growing crystal and for the heat effect of crystallization, a new model of crystal growth from solution is proposed and applied to crystallization of potassium chloride from aqueous solution. The driving force for crystal growth was calculated using the solubility at the interface temperature in contrast to the conventional one based on bulk temperature. A positive heat effect at the crystal interface as well as the resistances to the mass and energy transfer processes to and from the crystal surface can reduce the conventional driving force for crystal growth by more than 20 %.     

温度分层对小型熔盐单罐释热过程影响

为了探究温度分层对小型熔盐单罐释热过程的影响,对释热前单罐内熔盐有、无温度分层两种工况下的释热过程进行了实验研究。通过对隔板内外侧熔盐温度、换热器出口处水温、释热过程累积释热效率等参数进行分析发现：释热过程中维持熔盐稳定的温度分层是提高单罐释热效率的关键因素,而浸没式换热器取热时产生的扰动会破坏熔盐温度分层,影响释热效率,需要对其进行优化。研究结果为内置浸没式换热器的小型熔盐单罐系统的优化提供了有效依据。     

Effect of Titanium Carbide Heat Exchanger Block and Retort on Oxygen Impurities in Mc-Silicon: Numerical Modelling

Primarily, mc-Silicon growth is undertaken by directional solidification (DS) process. Reduction of non-metallic impurities such as oxygen, carbon and nitrogen in DS produced mc-Si ingots is a challenging task and strong contaminations come from inner parts of the DS system. In conventional DS system heat exchanger block and retort are made of graphite. In our present work, we have used a heat exchanger block and retort made by titanium carbide (TiC). The simulation has been done for using both graphite and TiC as Heat exchanger block and retort. The simulation results were compared and analysed. The numerical simulation of oxygen impurity distributions in melt and crystal has been investigated. When we used TiC as Heat exchanger block and retort, it gives lower melt convection in the molten stage, more uniform temperature distribution in x- axis and lower temperature gradient in y-axis at the end of solidification. The lower melt convection can reduce the oxygen impurities and results in uniform oxygen distribution. So, TiC based DS system gives better results compared with the graphite-based system.

     

自然对流对于熔体生长中小面化的影响

应用基于边界保角变换技术的Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元方法，研究熔体生长中动力学效应和自然对流的耦合作用探究了对流对生长系统中的温场分布、相界面２以及界面过冷度的影响。研究结果表明：自然对不充可使相界面的弯曲度减小，界面的相对位置降低，同时，对流使得小面端点处的夹角变得圆滑，小面域和粗糙面域的界线变得不明显，相应地，小面尺寸有所减小。     

直管与波节管换热器热应力及阻力特性对比实验研究

为了研究波节管换热器的热应力和阻力特性,对具有相同管长和传热面积的波节管换热器和直管换热器进行了对比实验,分析了不同温差下的轴向应力和不同雷诺数下的管程、壳程的阻力损失。结果发现:与直管换热器相比,波节管换热器具有很好的轴向热补偿性能,在相同的实验条件下,其轴向作用力和轴向热应力均比较小,适合应用于大传热温差场合;波节管换热器的阻力损失高于直管换热器,但在低雷诺数时阻力损失相差不大,且具有较高的传热系数。     

绝热状态下板壳式换热器壳侧的流型与压降

实验研究了板壳式换热器波纹通道内垂直向上气-液两相流动的流型和压降特性，讨论了圆形波纹通道内流型特征及转变机理，根据相界面形态特征将流型划分为泡状流、弹状流、膜状流和搅混流；同时分析了流型与压降之间的关系，发现泡状流中的压降波动幅值最小，弹状流与膜状流次之，搅混流中压降波动幅值最大；获得了波纹通道内单相以及气-液两相压降的分布规律，拟合了单相压降关联式，并基于Lockhart-Martinelli理论，通过分析两相摩阻系数与Martinelli参数的关系拟合了波纹通道内两相流动压降关联式，发现Chisholm参数C的值与Chisholm最初建议的光滑管内层流-层流的值接近。     

室外换热器迎面风速对空气源热泵结霜特性的影响

对不同迎面风速条件下空气源热泵系统室外换热器表面霜层生长特性进行了实验研究,测量了翅片表面动态霜层厚度、换热器结霜量,显微观察了霜晶生长过程。实验结果表明,迎面风速的降低使得空气源热泵机组室外换热器表面霜层厚度加速增长,结霜周期随迎面风速的下降呈近乎线性地减小,而且相对湿度越低,结霜周期下降的速度越快;因此,减小室外换热器迎面风速将恶化空气源热泵机组结霜/除霜周期中的平均性能。对霜晶形态的显微观察发现,低迎面风速工况下霜层厚度增长速度加快的原因是由于空气源热泵蒸发器壁面温度降低造成的霜晶形态的改变,翅片表面柱状冰晶始终在高度方向快速生长,这种现象与低环境温度工况下翅片表面霜晶生长形态类似。换热器总结霜量随迎面风速的减小而下降,造成霜层平均密度降低。     

熔融盐斜温层混合蓄热单罐系统及其实验研究

经济型的蓄热系统设计对聚焦式太阳能热发电的市场竞争力影响效果非常明显,一个比较有效的方法就是采用斜温层蓄热。在斜温层蓄热单罐设计理念的基础上,提出了一种熔融盐斜温层混合蓄热单罐系统,该单罐的中段为斜温层显热蓄热,上部为高温壳管式相变换热器,下部为低温壳管式相变换热器。斜温层保障高低温熔融盐液在同一单罐内上下隔开,而高、低温壳管式相变换热器既增加了蓄热容量,又简化了熔融盐液的注入和出料结构。初步实验测定了该混合蓄热单罐系统的有效蓄热量,证实了其斜温层在放热与吸热循环运行中能稳定保持,并表明了该系统具有潜在的应用前景。