火焰CVD法合成二氧化钛纳米颗粒的数值模拟

摘要

纳米材料的广泛用途使其制备方法的研究越来越受重视。化学气相沉积法(CVD)是制备纳米粉体的一种很有效的方法，例如日常用的碳黑、钛白粉颜料(TiO2)等都可以用该方法制得。颗粒尺寸、尺寸分布状况以及形态等特性对颗粒产品的性能都产生极大的影响，这就要求对生产装置的结构和操作参数要有很好的了解和控制。 本文应用CFD商业软件FLUENT，对火焰CVD法合成二氧化钛纳米颗粒的过程进行了详细的数值模拟。首先对CVD法中的湍流扩散火焰进行了详细的模拟，其中采用单步化学反应假设，比较了三种k-ε湍流模型在不同的近壁面处理方式下的模拟结果，得出在非平衡壁面函数法下的RNGk-ε模型的结果与实验观测到的16组火焰形状和温度数据最为接近；在此基础上，将二氧化钛作为一种准气体模拟计算了火焰的温度场和各组分的浓度场。 其次引入颗粒动力学模型(Schild等人，1999)，用自行编制的一段关于颗粒聚结生长的程序，在FLUENT预先计算得到的温度场内对火焰CVD法合成纳米颗粒过程中颗粒的凝结生长过程进行了模拟。这里假定所有的先驱物TiCl4在反应后，首先全部转化为自由的TiO2单分子；接着，在高温火焰中分子单体之间不断碰撞从而凝聚、凝结，长大形成单个的大颗粒或者多个颗粒粘结在一起的聚集块。这里将气体中的颗粒或者颗粒聚集块看成一种假定的气体组分，忽略颗粒相对流体的影响。在这些假设基础上对颗粒尺寸进行了预测，结果显示该模型对颗粒尺寸的预测与实验数据相差不大。文中还分析了火焰温度，氧化剂流量等对生成颗粒或者颗粒聚集块尺寸的影响。结果表明，温度越高就越容易形成球形颗粒，颗粒在火焰中的时间越长，生成的颗粒或聚集块的尺寸就越大。

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文摘

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1引 言

2湍流扩散火焰的数值模拟

3湍流扩散火焰数值模拟的结果和讨论

4高温火焰中纳米颗粒成长过程的数值模拟

5结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢