噴流轉(zhuǎn)晶法KDP晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)的流動(dòng)與傳質(zhì)數(shù)值模擬研究.pdf

1、用于研究慣性約束聚變的高能激光器需要大量的用于電光開關(guān)和變頻器的非線性晶體切片。KDP晶體（磷酸二氫鉀，KH2PO4）由于其獨(dú)特的物理特性，是目前唯一用于這些應(yīng)用的非線性晶體。隨著激光功率的提高，優(yōu)質(zhì)的大尺寸KDP晶體快速生長(zhǎng)成為近年來的研究重點(diǎn)。
　　根據(jù)已有的研究知道，晶體表面過飽和度的分布對(duì)晶體表面形貌穩(wěn)定性及包裹物的生成有關(guān)，而這些又直接決定了晶體最終質(zhì)量的好壞。因此研究的重點(diǎn)就是想辦法在晶體表面獲得一個(gè)相對(duì)均勻且較高的過

2、飽和度場(chǎng)。對(duì)于溶液法生長(zhǎng)KDP晶體，通常采用晶體旋轉(zhuǎn)的方式來使溶液對(duì)流，一方面可以起到對(duì)溶液進(jìn)行機(jī)械攪拌的作用，一方面通過轉(zhuǎn)速的調(diào)配控制晶體表面所受到的剪切力，從而控制溶質(zhì)邊界層厚度，增加傳質(zhì)。雖然旋轉(zhuǎn)KDP晶體可以達(dá)到提高晶體生長(zhǎng)速度的目的，但是在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題。由于靠近旋轉(zhuǎn)軸的晶體表面與其周圍的溶液相對(duì)速度較小，導(dǎo)致表面剪切力小，而表面剪切力又與溶質(zhì)邊界層厚度成反比，結(jié)果是自然對(duì)流成為晶體尖端附近區(qū)域的主要溶質(zhì)運(yùn)輸機(jī)制。由

3、于自然對(duì)流的傳質(zhì)能力小于強(qiáng)制對(duì)流，最終會(huì)導(dǎo)致晶體錐面過飽和度不均勻，而晶體表面過飽和度不均勻的后果將極大的增加包裹物出現(xiàn)的概率。
　　可見，對(duì)流在控制晶體生長(zhǎng)過程中尤為重要。充分了解溶液法晶體生長(zhǎng)中的流動(dòng)規(guī)律，對(duì)于進(jìn)行合理的晶體生長(zhǎng)工藝設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇是至關(guān)重要的。但是僅僅依靠傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段想要實(shí)時(shí)的了解幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜且晶體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)生長(zhǎng)容器中的流場(chǎng)及晶體表面的過飽和度分布存在非常大的困難。因此，在計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，數(shù)值計(jì)算逐

4、漸成為研究和優(yōu)化晶體生長(zhǎng)過程的一種重要手段。
　　基于以上背景，本文從計(jì)算流體力學(xué)的基本理論知識(shí)出發(fā)，緊緊圍繞溶液晶體生長(zhǎng)過程中數(shù)值模擬的若干問題展開研究，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)晶法制備KDP晶體中所存在的問題基礎(chǔ)上提出了一種帶噴流的KDP晶體生長(zhǎng)新系統(tǒng)，并采用數(shù)值計(jì)算的手段對(duì)新系統(tǒng)下的流動(dòng)及質(zhì)量輸運(yùn)特性進(jìn)行了分析。具體的研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）在了解溶液法生長(zhǎng)晶體的理論基礎(chǔ)上建立了模擬晶體生長(zhǎng)的CFD模型，并通過一個(gè)簡(jiǎn)單的溶液晶體生長(zhǎng)

5、模型進(jìn)行了實(shí)例分析。對(duì)于晶體生長(zhǎng)源項(xiàng)的影響，我們通過加載一個(gè)垂直于晶面的合適厚度的體積源項(xiàng)來解決；對(duì)CFD中兩種常用的湍流模型進(jìn)行了對(duì)比，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，認(rèn)為采用“標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型”加上“加強(qiáng)壁面函數(shù)處理”處理的方式更為合理；分析了自然對(duì)流對(duì)于晶體表面過飽和度的影響，增大晶體表面和周圍溶液的相對(duì)速度可以改變?nèi)芤旱牧鲃?dòng)狀態(tài)，湍流對(duì)物質(zhì)的輸運(yùn)效果明顯優(yōu)于層流。
　?。?）基于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)晶法制備 KDP晶體中所存在的缺點(diǎn)，提出了一種帶噴流

6、的KDP晶體生長(zhǎng)新系統(tǒng)，模擬了新系統(tǒng)的流場(chǎng)與質(zhì)量輸運(yùn)，討論了兩種方法湍流流場(chǎng)的時(shí)空特性，重點(diǎn)研究了表面過飽和度分布，并通過改變晶體尺寸、噴流速度、旋轉(zhuǎn)速度來定量考察新型生長(zhǎng)系統(tǒng)的特征。結(jié)果表明：噴流轉(zhuǎn)晶法KDP晶體生長(zhǎng)新系統(tǒng)中，錐面過飽和度及其均勻性都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)晶法，噴流速度增加可以提高晶面過飽和度，但均方差卻會(huì)先減小后增大；隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，晶體棱邊所受到的剪切力逐漸增加，因此過飽和度亦隨之提高，均方差逐漸變?。浑S著晶體尺寸的增