轴向磁场下分离结晶过程中熔体热毛细对流的三维数值模拟

摘要

新型分离结晶Bridgman方法是一种新型的晶体生长方法，它完美结合了传统Czochralski提拉法和Bridgman定向凝固法的优点，生长出的晶体质量较为理想，尤其是在生长对热应力比较敏感的CdZnTe晶体方面颇具优势。目前，这种新型晶体生长方法在微重力条件下虽然取得了一些成功，但是结果并不令人非常满意。究其原因，关键在于由表面张力作用诱导的熔体内部的热毛细对流影响了晶体的生长质量。为了削弱熔体内部的热毛细对流，本文尝试通过施加磁场影响熔体内部的流动，研究结果可为新型分离结晶Bridgman方法的应用提供理论参考。
　　本文重点针对微重力条件下，轴向磁场作用下新型分离结晶法生长CdZnTe晶体过程的熔体部分建立三维物理模型和数学模型，采用有限差分法进行数值模拟，得到了熔体内部的流场分布和温度分布，分析了磁场对熔体内部流动的影响作用。
　　研究结果表明：
　　（1）通过施加轴向磁场可有效地削弱熔体内部的流动，有利于分离结晶过程的进行。
　　（2）当熔体顶部为固壁时，在狭缝处自由表面张力的作用下，会在熔体底部形成一个流胞。轴向磁场可以有效地抑制这个流胞的强度，并且使流胞中心向自由表面迁移，流胞区域变小。在相同的Ma数下，磁场对熔体内部流动的抑制作用随着Ha数的增加而逐渐增强，同时自由表面上温度分布的非线性随着Ha数的增加而逐渐减弱。在相同的Ha数下，自由表面上的速度和温度分布的非线性随着Ma数的增加而逐渐增强。随磁场强度的增加，临界Ma数增大。
　　（3）当熔体顶部为自由表面时，由于上下自由表面张力的作用，在熔体内部会形成两个流动方向相反的流胞。施加轴向磁场以后，熔体内部的两个流胞均会受到洛伦兹力的抑制作用。随磁场强度的增加，两个流胞的流动强度降低，同时上部流胞的流型随着Ha数的增加变得更加简单。在相同的Ma数下，上下自由表面上的速度均随Ha数的增加而减小。随磁场强度的增加，临界Ma数增大。

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符 号

1 绪 论

1.1 引言

1.2 新型Bridgman晶体生长方法概述

1.3 CdZnTe晶体及其研究意义

1.4 磁场作用下晶体生长的研究现状

1.5 研究目的及研究内容

2 物理数学模型

2.1 物理模型及相关假设

2.2 数学模型

2.3 计算条件

3 数值模拟结果及分析

3.1 微重力条件下熔体顶部为固壁狭缝宽度为0.1时的热毛细对流

3.2 微重力条件下熔体顶部为自由表面狭缝宽度为0.1时的热毛细对流

3.3 微重力条件下熔体顶部为自由表面狭缝宽度为 0.05 时的热毛细对流

4 结 论

致谢

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读硕士学位期间的获奖情况