MOCVD反应器内部气体流动过程的研究

1、江苏大学硕士学位论文MOCVD反应器内部气体流动过程的研究姓名:陈燕申请学位级别:硕士专业:流体机械及工程指导教师:罗惕乾;王军锋20050529 江苏大学硕士学位论文P(掌,叩= Q(f,玎=P一口口+:!:!_!;华。ec(1一目I,J.,e一6口+(:华。,.,ed(1一目(314因为在计算平面上可以永远取成一个规则区域,为此先在计算域上划分好网格,通过求解式(3.11中的坐标变换系数,求出与计算坐标内各点相应的物理坐标值,从而完成由物理域到计算域之间的坐标变换。3.4通用微分方程的离散化在计算区域内,分析二维轴对称坐标下网格系统的格式。图3.2中虚线表示网格的边界线,实线表示为网格点的

2、坐标线。确定网格点的边界位置大体上有两种方法:一种是先确定网格点的位置,然后再计算相应的界面,也即先节点后界面的方法;另一种是先确定网格的边界,然后确定节点,也即先界面后节点的方法。两种划分网格的方案各有利弊,本模型采用先界面后节点的方法。Z(占r.(Sr。NJln(0zV W霪么e E.l1_叫ArS5z。图3.2圆柱轴对称坐标下的控制容积从物理上讲,虽然边界点在整个网格内,只用一个网格点上的因变量值进行表达,但网格点之间的关系仍要保持鲜明的物理上的联系,譬如在边界上要通量连续。以节点作为控制容积的代表,选取积分区域的任一指定网格点P,它的上下左右各方相邻的网格点分别称为N、S、w和E,网格

3、的边界与连线PN、PS、PW和PE的交点分别用小写字母n、S、W和e表示。将矿在网格点P的值以表示为相邻24掣 江苏大学硕士学位论文三维造型软件Pro/Engineer是由美国PTC公司开发出的三维CAD软件,是一个以特征为主的实体模型系统。实体的三维造型是进行流场计算的第一步。本文利用三维造型软件Pro/Engineer对MOCVD反应器进行三维造型。对于不规则曲面的造型一般采用读入点的空间坐标来造型,或是采用截面相交截除法,也就是利用几个空间体相交所得的交集来得到所要绘制的三维立体图。本文采用截面相交截除法对MOCVD反应器进行三维造型。在Pro/E中将生成的反应器实体以STEP文件格式输

4、出,输出文件名以.stp作为后缀,即可在GAMBIT中读入这个.st口文件,进行网格划分。图4.1为MOCVD反应器的三维造型图。 图4.1MOCVD反应器的三维造型图4.2MOCVI反应器网格的生成MOCVD反应器内部的结构较复杂,作为一个整体,要生成三维贴体结构化网格相当困难,这时宜采用非结构化网格来划分。由于本文设计的MOCVD反应器是轴对称反应器,因此划分反应器的网格只需考虑反应器二维轴对称的一部分。对于轴对称问题,网格划分时有坐标系的限制,因此,将反应器的模型逆时针旋转90。其网格划分结果如图4.2所示。 江苏大学硕士学位论文 图4.4速度矢量分布图(m/s 图4.5绝对速度等直线分

5、布图(m/s 图4.6温度分布图(k 图4,7NH3浓度分布图 图4.8H2浓度分布图 图4,9N2浓度分布图图4.74.9的NH3,H2,N2浓度分布图中,不同的颜色代表不同的浓度大小。红色代表最大的浓度,黄色、绿色、蓝色依次代表浓度的降低。由NH3的浓度分 江苏大学硕士学位论文 图4.10速度矢量分布图(m/s 图4.1l绝对速度等直线分布图(m/s 图4.12温度分布图(k由图4.12温度分布图可得,三种工况下的温度分布图有一定的区别,h=lcm 条件下,温度梯度变化快且均匀,而在h=3cm和h=5cm的工况下,温度的分布没有h=lcm的均匀,主要是由于受到流场的影响。流场中由于h的增大

6、导致产生的流场不均,从而影响温度场的均匀性。江苏大学硕士学位论文 图4.13NH3浓度分布图 图4.14H2浓度分布图 图4.15N2浓度分布图由图4.1315可知,三种工况下,NH3,H2,N2浓度分布主要在反应器管路出口处稍有区别。h=lcm的工况下,三种气体都是逐渐的扩散到反应器中,雨h=3cm 和h=5cm的工况下,NH3,H2,N2浓度在管路末端出口地方扩散的速度逐渐增加,尤其h=5cm的工况。但浓度扩教过程中同时也受到气体流动的影晌,特别在h=5em 时浓度分布中也呈现和流场相似的漩涡的形状,导致该部分的浓度场不均匀。由此可知,反应器进口管路与加热器表面的距离对流场、温度场的影响比较明显,在条件许可的情况下,应尽量减小h值。从流场,温度场和浓度场的分布图可知,三者是紧密相连的,气体的流场影响温度场和浓度场,而温度场和浓度场同时也会反作用于流场。反应器内部压强为0.1atm;进口管路末端距加热器上表面的距离h=lcm;反应器内、中、外三管进口流量分三种工况,分别是(3,5,3slm,(3,3,8 slm,(10,4,5slm;加热器的温度是1300k,固壁是石英管壁,反应器上壁面的边界条件是373k对流换热的条件;加热器不旋转。图4.1621分别是在三种工况下速度矢量,速度