轴向磁场下分离结晶熔体内热毛细对流的数值模拟

为研究轴向磁场对分离结晶Bridgman法生长CdZnTe晶体熔体热毛细对流的影响,采用有限差分法进行了三维数值模拟。结果表明轴向磁场能有效抑制熔体内的热毛细对流;轴向磁场对熔体内部温度分布也有较大的影响,能使等温线分布变得平缓;当磁场强度不变时,随着狭缝宽度的增大熔体内部的流动减弱。     

微重力条件下分离结晶过程中熔体热毛细对流的数值模拟

用有限差分法对微重力条件下分离结晶生长中的熔体热毛细对流进行了数值模拟,熔体的深径比A取1和2,自由界面无因次宽度B取0.05,0.075和0.1;得到了分离结晶Bridgman生长过程中熔体热毛细对流的流函数分布和温度分布图,研究了流型的演变过程和流动的失稳机制.结果表明:当Marangoni(Ma)数比较小时,流动为稳态流动并只存在于自由界面附近,随着Ma数的增加,流动增强并逐步向熔体内部扩展,熔体内部温度分布的非线性性增加,自由界面速度增大;Ma数超过某一临界值后,流动转化为非稳态流动;流动失稳的物理机制是流速的变化和阻力的变化之间存在滞后.     

φ5300mm的大直径直拉单晶硅勾形磁场下生长的数值模拟

直径300mm硅片的生产技术是当今硅材料生产研究的重要方向之一，而晶体生长界面的形状、温度分布、晶体中氧的浓度和均匀性等对熔体流动状态十分敏感，采用实验的方法来测量熔体的流动、温度场分布是很困难的，因此很难通过实验的方法获得熔体的流动是如何影响晶体生长的质量的，而数值模拟能提供熔体流动、温度分布等详细内容，为单晶硅的生长提供有利的指导．本文采用低雷诺数的K—ε紊流模型，对直径300mm的大直径单晶硅生长进行了数值模拟，通过熔体在有、无勾形磁场作用时的流场、温度场的分析，阐明了勾形磁场影响熔体流动的机理．     

φ300mm的大直径直拉单晶硅勾形磁场下生长的数值模拟

直径300mm硅片的生产技术是当今硅材料生产研究的重要方向之一,而晶体生长 界面的形状、温度分布、晶体中氧的浓度和均匀性等对熔体流动状态十分敏感,采用实验的方 法来测量熔体的流动、温度场分布是很困难的,因此很难通过实验的方法获得熔体的流动是如 何影响晶体生长的质量的,而数值模拟能提供熔体流动、温度分布等详细内容,为单晶硅的生 长提供有利的指导.本文采用低雷诺数的K-ε紊流模型,对直径300mm的大直径单晶硅生 长进行了数值模拟,通过熔体在有、无勾形磁场作用时的流场、温度场的分析,阐明了勾形磁 场影响熔体流动的机理.     

高Prandtl数双层流体的热毛细对流数值模拟

不相溶混的双层流体系统的传热传质现象广泛地存在于自然界和工程技术领域中,尤其是芯片工业与微电子工业中半导体材料的液封提拉法生长制备工艺中,双层流体的流动稳定性直接影响着晶体材料的生长质量.微重力条件下,由于没有了重力的影响,可以增强双层流体流动的稳定性以获得更为优异的晶体生长环境,然而,两相界面处的热毛细力引起的热毛细对流却对双层流体系统中的传热传质现象影响甚大.目前,可采用实验研究的方法对水平温度梯度作用下的双层流体的热毛细对流进行可视化研究,以观测流动特性及失稳的耗散结构.在空间实验中,由于低Prandtl数流体不可透视的特性,故在实验中鲜少采用其作为观察工质,多采用高Prandtl数流体.关于双层流体的热毛细对流,前人的研究主要集中在矩形腔体内环形池内的低Prandtl数双层流体的流动特性,对环形液池中高Prandtl数双层流体的流动特性及失稳耗散结构的研究还鲜见报道.本工作针对微重力条件下,水平温度梯度作用下的环形液池内B2 O3/蓝宝石熔体、5cSt硅油/HT-70、水/FC-75三组工质对的热毛细对流特性进行了研究,采用数值模拟的方法获得了R-Z截面的流函数、温度分布,以及监测点的速度和温度周期波动,揭示了流动失稳后的振荡流型.研究结果表明,运动粘度会影响流动流型,对于运动粘度较低的5cSt硅油/HT-70、水/FC-75的工质对,流动失稳为热毛细对流失稳,而高运动粘度的B2 O3/蓝宝石熔体则出现了热毛细对流失稳与Marangoni失稳.对比三种工质对的流动失稳临界Marangoni数,发现上下液层Prandtl数比值越大,则临界Marangoni数越大,选择较大的上下液层Prandtl数比值,可增强环形双液层流体流动稳定性.     

环形液池内耦合热-溶质毛细对流转变过程的二维数值模拟

为了解环形液池内耦合热-溶质毛细对流的转变特征,建立了环形液池内的耦合热-溶质毛细对流的物理数学模型,采用有限容积法进行二维数值模拟,得到了环形液池内耦合热-溶质毛细对流失稳的临界条件,并对耦合热-溶质毛细对流失稳机理进行了分析。结果表明:环形液池内流态从稳态到非稳态的转变为霍普夫分岔;随着深宽比、半径比和普朗特数的增加,流动更容易失稳;当刘易斯数大于1时,临界毛细雷诺数随着刘易斯数的增大而减小,流动失稳是由于溶质Marangoni效应的主导作用和流动的惯性共同作用的结果;而当刘易斯数小于1时,随着刘易斯数的增大,临界毛细雷诺数增大,流动失稳则是由于热Marangoni效应的主导作用和流动的惯性共同作用的结果。     

狭缝宽度及坩埚半径对分离结晶法制备CdZnTe晶体的影响

借助有限元法,在常重力条件下对分离结晶过程进行全局数值模拟,研究了狭缝宽度及坩埚半径对CdZnTe晶体生长过程中整体传热与流动特性的影响。模拟结果表明系统内传热特性、熔体流型与狭缝宽度及坩埚半径密切相关:(1)狭缝宽度对分离结晶有决定性的作用,当狭缝宽度较小时,气-液弯界面两端的温差很小,导致增大晶体重新粘附于坩埚壁面的风险;随着狭缝宽度的增大,流动不稳定性增加,很难保持稳定的气-液弯界面形状,增加了实现晶体稳定生长的难度;(2)随着坩埚半径增大,Marangoni对流对熔体流动影响逐渐增大,结晶界面附近的熔体流动不稳定性增加,这不利于晶体的稳定生长。     

对流对枝晶生长影响的数值模拟研究进展

介绍了对流影响枝晶生长的主要数值模拟方法,评述了对流对枝晶生长影响的数值在模拟国内外的研究现状,指出了该领域目前面临的问题和未来的发展趋势.     

叉排椭圆管强迫对流换热的数值模拟

本文分析了二维稳态不可压缩流体横掠椭圆管束的强迫对流换热问题.在建立物理模型和数学模型的基础上采用涡量-流函数法对问题进行数值求解.在一定容积的空间内,优化椭圆管排的布置,使得管排与流体之间的对流换热密度达到最大值.比较了当椭圆管的短轴2b等于圆管的直径D时这两种管子的对流换热密度.分析了椭圆偏心率对热流密度的影响.数值计算的结果表明,当空气的ReH在400≤ReH≤900的范围内时,椭圆管换热器的对流换热密度比圆管的对流换热密度约大11%.     

单侧受限管排自然对流的数值模拟

给出了具有 5,10,15,20 根管的管排在 103相似文献   

对氧化物熔体浮区中重力对流的数值模拟

利用有限元分析方法数值模拟了界面形状对氧化物高温熔体碟形浮区中的温度分布和重力对流速率的影响，发现界面形状对重力对流速率有较大的影响，对于凸面，相对于炉圈平面5％的偏离使重力对流速率增大25％，偏离越大，重力对流速度越大，对于凹面，5％的偏离使重力对流速率减小15．7％，偏离越大，重力对流速度越小。     

封闭腔内纳米流体自然对流换热的数值模拟

采用数值模拟方式研究充满了纳米流体的封闭腔内的稳态自然对流。重点分析了纳米颗粒的体积分数,Ra数以及不同类型纳米颗粒对自然对流换热特性的影响。数值模拟结果表明:在纯水中加入纳米颗粒可以显著提高基液的自然对流换热特性;对于给定的Ra数下,随着纳米流体的体积分数增大,纳米流体换热效果显著增强;对于给定的体积分数下,随着Ra数增大,纳米流体的换热强度也随之增大,并且换热机理由热传导为主变为热对流为主;通过Ag,Cu,CuO和Al2O3四种纳米颗粒的对流换热效果比较分析得出,金属Ag和Cu纳米颗粒比金属氧化物CuO和Al2O3的纳米颗粒制备的纳米流体的对流换热效果更好。     

磁场作用对等规聚丙烯结晶行为的影响

通过偏光显微镜(POM)、广角X射线衍射(WAXD)、差示扫描量热仪(DSC)等手段研究了磁场作用对熔融聚丙烯的结晶形态及其与热历史的关系。结果表明,在磁场作用下,聚丙烯球晶尺寸变大,能观察到球晶内部的叶脉状晶体单元;随着熔融温度升高和熔融时间的延长,磁场作用的效果更加明显。磁场作用不利于β晶的生长,会使聚丙烯的结晶更加完善;在磁场作用下熔融、结晶的聚丙烯,结晶度无明显的改变,而于磁场外熔融的聚丙烯在磁场作用下等温结晶时,结晶度有明显的提高。     

对流边界条件下竖板降膜除湿过程中传热传质的数值模拟

针对竖板降膜(层流)溶液除湿空调系统,建立了溶液降膜过程传热传质的数学模型,给出了对流换热边界条件下过程的数值解.模拟了三种不同冷却条件下的降膜除湿过程.结果表明,当对流换热系数较小时,与绝热边界有相似的发展趋势;而当对流换热系数较大时,则接近于等温条件下的规律.同时,模拟结果还给出了不同的无量纲吸收热λv和刘易斯Le对降膜内Nusselt数和Sherwood数的影响,表明无量纲吸收热的改变不影响Nu数和Sh数在流动方向上的最终渐近值.     

外加纵向交变磁场下的TIG焊电弧数值模拟

在局部热平衡状态假设前提下，以磁流体动力学为基础，建立二维轴对称TIG焊电弧模型，研究外加纵向交变磁场下电弧所产生的周期性变化。当磁场强度为0.03 T,交变频率为1 000 Hz时，与无外加磁场的电弧相比，电弧发生明显的收缩现象。根据进一步的模拟研究，发现当磁场方向改变，电弧会随之发生收缩或扩散现象，但相较于无外加磁场的电弧，总体上还是呈现收缩现象。靠近阳极区域的电弧温度及阳极所受压力会随磁场方向的变化而发生周期性的单/双峰转变。     

组合线圈磁场下的液桥热表面张力流

为了优化外加磁场对对流控制作用,该文主要研究了轴向载流线圈磁场,横向四载流线圈磁场及其组合磁场对液桥热表面张力对流的控制.研究结果表明:轴向载流线圈磁场可有效抑制熔体的径向流动,并改善熔体对流的轴对称性;而横向载流线圈磁场可有效地抑制熔体轴向的对流,但是会破坏熔体对流的轴对称性.合理布置的轴向载流和横向四载流线圈的组合磁场同时保留了轴向载流线圈磁场的轴对称影响和横向四载流的轴向抑制作用,可以达到更好的控制熔体对流的效果,有利于从浮区法晶体生长中获得高质量晶体.     

磁场辅助电弧焊接旋转等离子体行为的数值模拟

目的 研究外加纵向磁场对倾斜电极TIG焊接的电弧温度分布、流动模式和工件所受热力作用的影响.方法 建立磁场-电弧复合焊接热、电、磁、流动的三维数学模型.通过数值模拟和高速摄像实验,揭示倾斜电极电弧在外加磁场作用下的流动、形貌及温度演化机制.结果 外加纵向磁场后,电弧流动速度明显增加,流动模式由沿电极方向喷射变为近似沿竖直方向旋转向下的流动模式;电弧对工件的热作用均匀性提高,热作用中心向电极正下方靠近,但在焊接横向方向上存在偏离;工件受到表面的电弧旋转拖拽力和内部的旋转洛伦兹力作用,最大洛伦兹力可达50000 N/m3.结论 基于所建立数学模型的模拟结果与实验电弧形貌吻合良好,结果表明,外加纵向磁场能够显著改变电弧的形态及流动模式,提高电弧热流密度的均匀性,并能够对熔池产生有效的搅拌作用.     

脉冲磁场作用于钢液熔体的电磁场数值模拟

为了解脉冲磁场的电磁力特性,利用ANSYS软件,脉冲电源波形采用梯形波,对脉冲磁场作用下钢液的电磁场进行了模拟,得到了电磁力周期变化规律,脉冲频率和脉冲波型对脉冲电磁力的影响规律.结果表明:脉冲磁场作用下,电磁力瞬时发生变向,往复振荡熔体;在研究的脉冲放电频率范围内,脉冲放电频率的改变对电磁场、力场的分布影响不大;对于采用的梯形脉冲波形,电磁力随着脉冲上升沿和下降沿宽度的减小而显著增大,而当脉冲宽度增大时,脉冲电磁力呈现减小的趋势.     

微重力条件下熔体中对流过程的数值模拟

微重力条件下生长优质晶体遇到的最大问题是要控制晶体生长的条件，抑制由于重大的减弱而引起的熔体中的热毛细时流。但是，用实验来解决这些问题费用高，周期也长，而且有时完全用实验来模拟也是很困难的。用数值计算方法来模拟微重力条件下熔体中的对流过程是空间晶体生长研究的一个重要的方向，计算结果对控制空间生长晶体和抑制熔体中的对流有指导意义。对微重力条件下熔体中对流发生、发展的过程进行了数值研究。以有限差分法研究了沿上表面为自由表面的水平区域不同边界条件下的熔体中的对流过程。     

超临界二氧化碳水平管内层流混合对流换热数值模拟

为得到二次流对换热的强化作用,对恒壁温冷却工况下,超临界二氧化碳在水平微细圆管内的混合对流换热进行了数值模拟。分析了重力水平、冷壁面温度、入口雷诺数Re等参数变化时管道壁面的传热系数,管内浮升力引发的二次流、范宁摩擦系数沿管道的变化规律,引入相对二次流动能将二次流的强度定量表示出来。研究发现管内流体顶部温度高于底部,上母线传热系数远高于下母线且在超临界二氧化碳的拟临界温度附近达到峰值,二次流及范宁摩擦系数在入口区域变化最剧烈,重力加速度对管内流场产生重要影响。