喷流转晶法KDP晶体生长系统的流动与传质数值模拟研究

摘要

用于研究惯性约束聚变的高能激光器需要大量的用于电光开关和变频器的非线性晶体切片。KDP晶体（磷酸二氢钾，KH2PO4）由于其独特的物理特性，是目前唯一用于这些应用的非线性晶体。随着激光功率的提高，优质的大尺寸KDP晶体快速生长成为近年来的研究重点。
　　根据已有的研究知道，晶体表面过饱和度的分布对晶体表面形貌稳定性及包裹物的生成有关，而这些又直接决定了晶体最终质量的好坏。因此研究的重点就是想办法在晶体表面获得一个相对均匀且较高的过饱和度场。对于溶液法生长KDP晶体，通常采用晶体旋转的方式来使溶液对流，一方面可以起到对溶液进行机械搅拌的作用，一方面通过转速的调配控制晶体表面所受到的剪切力，从而控制溶质边界层厚度，增加传质。虽然旋转KDP晶体可以达到提高晶体生长速度的目的，但是在旋转过程中会出现一个问题。由于靠近旋转轴的晶体表面与其周围的溶液相对速度较小，导致表面剪切力小，而表面剪切力又与溶质边界层厚度成反比，结果是自然对流成为晶体尖端附近区域的主要溶质运输机制。由于自然对流的传质能力小于强制对流，最终会导致晶体锥面过饱和度不均匀，而晶体表面过饱和度不均匀的后果将极大的增加包裹物出现的概率。
　　可见，对流在控制晶体生长过程中尤为重要。充分了解溶液法晶体生长中的流动规律，对于进行合理的晶体生长工艺设计和参数选择是至关重要的。但是仅仅依靠传统的实验手段想要实时的了解几何结构复杂且晶体高速运动时生长容器中的流场及晶体表面的过饱和度分布存在非常大的困难。因此，在计算机技术高度发达的今天，数值计算逐渐成为研究和优化晶体生长过程的一种重要手段。
　　基于以上背景，本文从计算流体力学的基本理论知识出发，紧紧围绕溶液晶体生长过程中数值模拟的若干问题展开研究，在传统转晶法制备KDP晶体中所存在的问题基础上提出了一种带喷流的KDP晶体生长新系统，并采用数值计算的手段对新系统下的流动及质量输运特性进行了分析。具体的研究内容如下：
　　（1）在了解溶液法生长晶体的理论基础上建立了模拟晶体生长的CFD模型，并通过一个简单的溶液晶体生长模型进行了实例分析。对于晶体生长源项的影响，我们通过加载一个垂直于晶面的合适厚度的体积源项来解决；对CFD中两种常用的湍流模型进行了对比，通过试验数据对比，认为采用“标准 k-ε模型”加上“加强壁面函数处理”处理的方式更为合理；分析了自然对流对于晶体表面过饱和度的影响，增大晶体表面和周围溶液的相对速度可以改变溶液的流动状态，湍流对物质的输运效果明显优于层流。
　　（2）基于传统转晶法制备 KDP晶体中所存在的缺点，提出了一种带喷流的KDP晶体生长新系统，模拟了新系统的流场与质量输运，讨论了两种方法湍流流场的时空特性，重点研究了表面过饱和度分布，并通过改变晶体尺寸、喷流速度、旋转速度来定量考察新型生长系统的特征。结果表明：喷流转晶法KDP晶体生长新系统中，锥面过饱和度及其均匀性都显著优于传统转晶法，喷流速度增加可以提高晶面过饱和度，但均方差却会先减小后增大；随着旋转速度的增加，晶体棱边所受到的剪切力逐渐增加，因此过饱和度亦随之提高，均方差逐渐变小；随着晶体尺寸的增加，锥面过饱和度均方差随之增大，锥面平均过饱和度呈现先增大后减小的变化过程。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1引言

1.2 KDP晶体简介

1.3晶体生长研究现状

1.4课题的提出和研究内容

2 溶液法KDP晶体生长的CFD模型

2.1引言

2.2晶体生长的输运过程

2.3计算模型原理

2.4溶液法生长KDP晶体实例分析

2.5计算结果与分析

2.6层流与湍流传质比较

2.7本章小结

3 喷流转晶法KDP晶体生长系统的流动与传质计算

3.1引言

3.2物理模型

3.3数学模型

3.4计算网格及数值方法

3.5计算结果与分析

3.6本章小节

4 结论与展望

4.1论文主要结论

4.2论文创新点

4.3后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 晶体生长源项C语言程序

B. 晶体旋转Profile文件

C. 作者在攻读硕士期间参加的科研项目