旋转半径和溶液入口条件对KDP晶体生长过程影响的数值模拟研究

摘要

本文首先针对KDP晶体传统同心旋转的方式，对采用降温法时不同旋转半径下KDP晶体的生长过程进行数值模拟，着重分析旋转半径对晶体表面过饱和度大小及分布的影响，并研究其作用机理。同时通过改变晶体的摆放方式，进一步寻找提高晶体表面过饱和度和改善晶体表面均匀性的方法。其次，考虑到实际工业生产中以循环流动法生长晶体为主，为了便于对其生产过程进行理论指导，本文在不同旋转半径对晶体生长影响研究的基础上，对利用循环流动法生长晶体时，不同进口条件下KDP晶体的生长过程进行数值模拟，探寻不同进口条件对晶体生长过程中表面过饱和度大小及其分布影响的规律性，从而为更好的工业化生产KDP晶体奠定理论基础。本课题的主要研究内容和结论如下：
　　①针对传统同心旋转法生长晶体的弊端，对采用降温法时不同旋转半径下KDP晶体的生长过程进行数值模拟。结果表明：随着旋转半径从0cm逐渐增加到3cm，晶体柱面和锥面时均过饱和度均逐渐增大，柱面过饱和度均方差逐渐减小，锥面过饱和度均方差先增大后减小。通过分析发现随着旋转半径的提高，溶液强制对流逐渐增强，溶质边界层逐渐变薄。说明增大晶体的旋转半径既可以提高晶体的生长速率，同时还可以改善晶体表面的均匀性。另外，在此基础上对旋转半径为3cm时，晶体表面过饱和度随时间的变化情况进行了分析。
　　②在旋转半径一定的基础上，对采用降温法时不同晶体摆放方式下 KDP晶体的生长过程进行数值模拟。结果表明：在柱面迎流、棱边迎流和锥面迎流三种不同的摆放方式下，当晶体采用柱面迎流时晶体时均表面过饱和度最大，棱边迎流时次之，采用锥面迎流时晶体时均表面过饱和度最小，且当晶体采用锥面迎流时晶体柱面和锥面均方差最大，采用柱面迎流时次之，采用棱边迎流时晶体柱面和锥面均方差最小。因此，虽然晶体采用棱边迎流的摆放方式时，时均表面过饱和度与柱面迎流相比略有下降，但其平均均方差是三种摆放方式中最小的，有利于减少包裹体的产生。
　　③结合实际工业生产，将循环流动法与有旋转半径的转晶法相结合，对不同入口条件下KDP晶体生长过程中的溶液流动和物质输运过程进行了数值模拟研究，分别讨论了溶液入口速度、溶液进口管位置和溶液入射角度对晶体生长过程的影响。研究结果表明：首先，随着溶液入口速度的增大，晶体柱面时均过饱和度先减小后增大，晶体锥面时均过饱和度先略微减小后逐渐增大，柱面和锥面均方差均先增大后减小。其次，晶体表面过饱和度和均方差随着溶液进口管在生长槽上的位置不同而不同。当溶液进口管轴线与晶体中心在同一高度时，晶体表面过饱和度较大且均方差较小。最后，当溶液进口管轴线与晶体中心在同一高度时，随着溶液入射角相对晶体位置的不断增大，晶体柱面过饱和度先增大后减小，均方差先减小后增大，晶体锥面过饱和度先增大后减小继而又增大，锥面均方差则与锥面过饱和度呈现相反的规律。当入口管轴线与晶体旋转半径较小的锥尖运动轨迹相切时，晶体表面过饱和度最大，均方差最小。

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符号表

1 绪 论

1.1 前言

1.2 晶体的生长方法及基本生长过程

1.3 KDP晶体生长的研究现状

1.4课题的提出及研究意义

1.5课题的主要内容和创新点

2 旋转半径对降温法生长KDP晶体过程影响的数值模拟研究

2.1 引言

2.2计算中涉及到的模型及算法

2.3 物理数学模型及计算方法

2.4 数值模拟结果及分析

2.5 自然对流和强制对流的讨论

2.6 本章小结

3 不同入口条件对循环流动法生长KDP晶体过程影响的数值模拟研究

3.1 引言

3.2 物理模型

3.3 数值模拟结果及分析

3.5 本章小结

4 结论与展望

4.1 课题的主要结论

4.2课题展望

致谢

参考文献

附录

A. 晶体生长源项C程序

B. 晶体旋转方式C程序

C. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

D. 作者在攻读学位期间参加的的科研项目