硅液桥MARANGONI对流的一种无玷污的抑制方法研究

摘要

本文论证了一种无玷污的抑制热毛细对流的方法的有效性，该方法通过引入氩气切向冲刷微重力下硅液桥的自由表面，通过产生的剪切力来抑制硅熔体内的Marangoni对流。首先建立了微重力条件下气流冲刷抑制半浮区硅熔体内Marangoni对流的物理模型和数学模型。采用原始变量法，用Galerkin有限单元法对无量纲控制方程及边界条件进行离散后，数值模拟了微重力条件下半浮区硅熔体及气体流道内的Marangoni对流，得出了无量纲气流冲刷速度及流道宽度变化和熔体内热毛细对流抑制程度的关系，进而分析了不同的无量纲参数Ma数和不同熔体几何尺寸比A下热毛细对流抑制情况。 结果表明：硅熔体热毛细对流抑制程度和气体冲刷速度有着密切联系，合理的选择气流冲刷速度，可以使给定条件下的熔体热毛细对流减弱到一个最佳程度。一定情况下抑制程度最大可以达到99％以上。流道宽度对熔体热毛细对流的抑制有很大的影响，流道越窄，熔体热毛细对流的抑制效果也越好。对于不同的无量纲参数Ma数，为达到熔体热毛细对流的最佳抑制，所需的气流冲刷速度不同，Ma越小抑制所需气流冲刷速度也越小，抑制效果也越好。同样不同几何尺度比A，为达到最佳抑制程度，使其熔体内热毛细对流达到最弱，所需气流冲刷速度也不同，其抑制程度也不同。随着A的增大，要想达到热毛细对流的最佳抑制，所需要的气流冲刷速度反而越小；但抑制程度随着A值的增大有一个先增加再减小的过程，当A为2时抑制程度达到最佳。 利用模拟的结果，我们找出了使熔体内热毛细对流得到最佳抑制所需的气流冲刷速度和几个无量纲参数的关系式。这无疑对将来实验及工程上的适用有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

1绪论

1.1引言

1.2问题的提出

1.3 Marangoni对流及空间微重力环境概述

1.3.1 Marangoni对流的基本概念

1.3.2空间微重力环境概述

1.4晶体生长概述

1.5浮区晶体生长技术

1.6热毛细对流研究概况

1.7热毛细对流的抑制研究和本课题的研究内容

2物理及数学模型的建立

2.1引言

2.2物理模型及相关假设

2.3数学模型及其简化

2.3.1控制方程组的描述

2.3.2定解条件

2.4控制方程组和定解条件的无量纲化

2.4.1控制方程组的无量纲化

2.4.2定解条件的无量纲化

3数值求解

3.1引言

3.2有限单元法简介和网格的选取

3.3数值计算方法

3.3.1坐标变换和温度插值函数

3.3.2单元变分计算方程

3.3.3高斯数值积分

3.4计算求解步骤

4计算结果与分析

4.1气流速度vin对熔体热毛细对流抑制情况

4.2流道宽度δ对熔体热毛细对流抑制影响

4.3不同Marangoni数下的最佳抑制情况

4.4不同尺寸比A下的最佳抑制情况

4.5抑制情况综合分析

5研究结论及工作展望

致谢

参考文献

附录 近三年发表文章