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分离结晶过程中熔体热毛细对流的二维数值模拟

作　者: 范菊艳
导　师: 彭岚
学　校: 重庆大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 分离结晶热毛细对流临界Ma数 CdZnTe晶体数值模拟
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

新型分离结晶Bridgman法结合了传统Bridgman定向凝固法和Czochralski提拉法的优点,既能保证晶体生产过程中较低的热梯度,又能提供一个晶体不受约束、自由生长的环境,他是一种理想的从熔体中生长晶体的方法,可以生产出高质量、大体积的CdZnTe晶体,而CdZnTe晶体是一种应用广泛的半导体功能材料,研究CdZnTe材料分离结晶过程中熔体的流动特征,可以为在地面条件下采用分离结晶法制备CdZnTe晶体提供指导,具有重要的理论意义和使用价值。本文针对新型分离结晶Bridgman法生长CdZnTe晶体过程中的熔体流动建立了二维物理模型和数学模型,采用有限差分法对不同条件下的流动进行数值模拟,得到了熔体内的速度分布和温度分布,确定了流动转化的临界条件,分析了熔体内部的流动特征及流动失稳的物理机制。结果表明:(1)微重力条件下,熔体顶部为固壁时,狭缝处自由表面上的表面张力梯度驱使熔体内部产生了热毛细对流。当Ma数较小时,流动为稳态流动;当Ma数超过某一临界值后,流动转化为非稳态的热毛细对流。临界Ma数随着高径比的减小而增大,随着狭缝宽度的增大而增大。流动失稳的物理机制可以解释为某种作用所引起的速度扰动使得流速的变化和温度的变化之间形成了一个滞后。(2)微重力条件下,熔体顶部为自由表面时,上下两个自由表面上的表面张力梯度驱使熔体内部产生了两个流动方向相反的流胞,与熔体顶部为固壁时得到的结果进行比较发现:高径比A=1时的临界Ma数减小,A=2时的临界Ma数增大。(3)常重力条件下,熔体顶部为自由表面时,Ma数较小时浮力对熔体内部流动的影响作用很弱;随着Ma数的增大,浮力的影响作用增强,使得上部流胞强度减小,下部流胞强度增大;另外,浮力使得临界Ma数减小了一个数量级。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
主要符号表  8-9
1 绪论  9-23
  1.1 引言  9-10
  1.2 新型Bridgman 晶体生长法概述  10-11
  1.3 碲锌镉晶体及其研究意义  11-12
  1.4 晶体生长技术的研究现状  12-21
    1.4.1 实验研究现状  12-15
    1.4.2 数值模拟研究现状  15-21
  1.5 研究目的及研究内容  21-23
2 物理数学模型  23-28
  2.1 物理模型及相关假设  23-24
  2.2 数学模型  24-27
    2.2.1 控制方程及边界条件  24-25
    2.2.2 控制方程及边界条件的无量纲化  25-26
    2.2.3 数值求解  26-27
  2.3 计算条件  27-28
3 数值模拟结果及分析  28-56
  3.1 微重力条件下熔体顶部边界条件取固壁时的流动  28-35
    3.1.1 网格验证  28
    3.1.2 稳态热毛细对流  28-32
    3.1.3 非稳态热毛细对流  32-34
    3.1.4 流动转化的临界Ma 数  34-35
    3.1.5 流动失稳的物理机制  35
  3.2 微重力条件下熔体顶部边界条件取自由表面时的流动  35-45
    3.2.1 网格验证  35-36
    3.2.2 稳态热毛细对流  36-42
    3.2.3 非稳态热毛细对流  42-43
    3.2.4 流动转化的临界Ma 数  43-44
    3.2.5 流动失稳的物理机制  44-45
  3.3 常重力条件下熔体顶部边界条件取自由表面时的流动  45-56
    3.3.1 网格验证  45
    3.3.2 稳态的热毛细-浮力对流  45-52
    3.3.3 非稳态的热毛细-浮力对流  52-53
    3.3.4 流动转化的临界Ma 数  53-54
    3.3.5 流动失稳的物理机制  54-56
4 结论  56-57
致谢  57-58
参考文献  58-62
附录  62-63
  A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  62-63
  B. 作者在攻读硕士学位期间的获奖情况  63

分离结晶过程中熔体热毛细对流的二维数值模拟

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