热毛细效应下熔融硅水平流动及凝固特性分析

摘要

近几十年来，随着世界经济和人口数量的迅速增长，能源短缺和环境污染问题日益严重，大力开发清洁能源成为各国保护生态环境、保持经济可持续发展的重要举措。太阳能电池以其清洁、安全、高效率等优点得到了国家大力扶持。硅带技术（水平拉膜制备技术）凭借其制备流程简单、提拉速率高、原材料损耗少等优点引发了人们的广泛关注。水平拉膜制备过程其实就是熔融硅水平固化和水平流动的综合过程。为了使横向拉膜技术获得更稳定的生长环境，能够制备质量高、厚度准确可控的硅带，本论文使用数值模拟方法对热毛细效应下硅熔体水平固化以及水平流动过程进行系统研究。
　　首先，介绍了数值模拟基本方法、凝固过程传热计算理论、凝固过程流场计算理论、热毛细对流数值模拟理论，为数值模拟提供理论基础。
　　然后，在Fluent模拟软件里建立了热毛细作用下熔融硅水平流动物理模型和数学模型。考虑了熔融硅在水平温度梯度Ma、液池底部垂直热流密度Q和两种情况耦合效应下水平流动模拟分析。得到了液层内流场和温度场的分布云图。深入分析了水平温差Ma、底部热流密度Q、及两种情况耦合作用下各种流型的变化规律。研究结果表明，当液池底部热流密度Q为零时，且两侧温差Ma较小时，熔体流动为稳态流动，随着两侧温度差Ma的不断增大，矩形液池内流动逐渐由稳态转变为波动再次转变为由两个旋转方向相反的且大小不同非对称双胞流动，最后流动转型为紊乱流动状态；当两侧温度差Ma较小时，底部热流密度Q对熔融硅水平流动作用明显，随着底部热流密度 Q的不断增大流体由稳态转变为由多个旋转方向交替相反的漩涡流胞，并且流动构型随着热流密度 Q的增加没有发生明显变化；当水平温差Ma和垂直热流密度Q耦合作用时，流动构型和仅仅施加垂直热流密度Q接近，较小的热流密度对热毛细对流有抑制作用。
　　最后在COMSOL数值分析软件中建立了水平管道状凝固模型，采用自适应网格划分法划分网格，并且使用显热容法求解高度非线性方程。对熔融硅在温度场和流场耦合作用下水平固化过程进行数值模拟，模拟结果显示:熔融硅在水平凝固过程中产生了相变。并且通过等效热容的数学分析方法计算了在相变过程中型速度场分布、等温线分布。结果还发现:在靠坩埚口附近形成了流线型涡旋流。并且在凝固区和结晶区出现了很明显的热流密度变大现象,结晶结束后热流密度慢慢消失。
　　本研究得到国家自然科学基金重点项目资助。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 硅的特性

1.3 多晶硅的制备方法

1.4 单晶硅的制备方法

1.5 国内外相关课题研究现状

1.6 本论文的研究内容

第二章 热毛细作用下流动及凝固数值模拟方法

2.1 数值模拟基本方法

2.2 凝固过程传热计算理论

2.3 凝固过程流场计算理论

2.4 热毛细对流数值模拟理论

2.5 本章小结

第三章 热毛细效应下熔融硅水平流动特性分析

3.1 引言

3.2 物理模型以及相关假设

3.3 控制方程及定解条件

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 热场流场耦合作用下熔融硅水平凝固的模拟研究

4.1 引言

4.2 物理模型以及相关假设件

4.3 数值求解参数设置

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文和参与项目