高频等离子体球化石英粉的数值模拟研究

摘要

作为集成电路封装领域不可缺少的优质材料—球形石英粉，随着移动互联网的发展，其需求在快速增长，同时它在特种陶瓷、航空航天、精细化工，光学器件等众多领域的应用也受到广泛的关注。等离子体法制备球形石英粉与其它制备方法相比具有独特的优势，并且等离子体法被认为大规模制备球形石英粉最具前景的方法之一。因此对高频等离子体球化石英粉的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以高频等离子体反应器内球化石英粉为对象，采用数值模拟方法研究了等离子体反应器中的流动和传热及石英粉的加热历程和运动轨迹。
　　首先分析推导了等离子体的电磁场方程，建立高频等离子体的磁流体力学模型（MHD），然后对FLUENT进行二次开发。通过用户自定义变量（UDS）添加电磁场变量，用户自定义子程序（UDF）添加洛伦兹力源相到动量方程，添加焦耳热和辐射源相到能量方程。从而完成高频等离子体反应器的电磁场、温度场、速度场的多场耦合计算。同时考虑了温度的变化对氩气物理性质的影响，对电磁场计算区域进行扩展，采用零边值边界条件。最后通过数值模拟得到了反应器电磁场，温度场和速度场的分布规律。
　　在高频感应等离子体的流场分析的基础上加入石英粉颗粒，应用FLUENT中的离散相模型（DPM）对颗粒和等离子体进行相间耦合计算，研究了石英粉在等离子体中受热情况。研究表明等离子体的回流区域对石英粉的加热有一定的影响。另外石英粉颗粒的大小对其加热和轨迹有重要影响。
　　本文主要研究了高频等离子体内流场的结构及能量输送机理，石英粉在反应器内的加热和运动轨迹。这将为等离子体球化石英粉的工程应用研究提供一定的帮助。

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主要符号说明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 二氧化硅微粉制备的研究现状

1.3 等离子体球化石英粉的研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第二章 电磁场的理论基础

2.1 引言

2.2 基本的电磁场方程

2.3 电磁场矢量和标量方程的推导

2.4 本章小结

第三章 磁流体动力学

3.1 引言

3.2 磁流体力学的特性

3.3基于FLUENT程序的MHD计算

3.4 本章小结

第四章 等离子体传热与流动三维数值模拟

4.1 引言

4.2 基本假设

4.3 物理模型

4.4 控制方程

4.5 材料的物理属性

4.6 边界条件与网格划分

4.7 计算时间及其收敛性

4.8 计算结果与分析

4.9 本章小结

第五章 石英粉颗粒的加热与运动轨迹

5.1 引言

5.2 基本假设

5.3 颗粒模型

5.4 结果与讨论

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要工作回顾

6.2 展望

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢