基于CFX软件的氮化硅反应炉内热过程的数值模拟

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.06.018 第27卷第6期 北京科技大学.学报 Vol.27 No.6 2005年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2005 基于CFX软件的氮化硅反应炉内热过程的数值模拟 陈锦杨晶尹少武王立 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要利用大型商业软件C℉X建立了高温氨化硅反应炉内温度场的数学模型，采用拟流体模 型数值模拟炉内的层流流动，分析了氮气体积流量、各向异性散射和辐射特性等因素对湿度场和 产物质量浓度的影响.计算结果表明，为确保反应充分完全，预热段温度控制显得非常重要，而氮 气体积流量起着决定性的作用：各向异性散射对径向温度、产物质量浓度有一定的影响：散射率 对温度场影响很小：计算值与实验值相比较，误差在10%之内， 关键词反应炉：氨化硅：温度场：数值模拟 分类号TK124 生成物 氮化硅在陶瓷材料中享有“全能冠军”之称， 它具有抗氧化、抗热震、高温蠕变小、电绝缘和化 学性能稳定等特点，在冶金、航空、化工、机械、半 导体等工业部门中具有广阔的应用前景. 硅粉氨化实验装置温度场的分布会对产品 的质量、设备的寿命会产生很大的影响，本文旨 在通过对氮化硅反应炉内热过程的数值模拟，分 析炉内温度场和氯化硅质量浓度及其影响因素， 目的是为氨化硅等新型材料的高温合成提供可 参考的依据。 反应物 本文采用了计算流体动力学CFX软件拥有 的流体流动、传热、辐射、化学反应等通用模型， L 但在模拟硅氮化学反应时，需将硅粉和氮化硅设 图1氨化硅反应炉示意图（俯视图） 置为流体连续介质才可模拟反应，所以存在一定 Fig.1 Sketch map for an Si,N-reaction furnace 的局限性.基于CFX软件化学反应这一模块，采 产物.涉及的几何参数变量有：预热管长L,内径 用拟流体模型，模拟氮化硅反应炉内辐射与对流 d；高温管长L2,内径d;拐角半径R,连接长度 稳态耦合换热过程.将模拟结果与实验值相比 H,本文研究有限长圆管内不可压均匀多相牛顿 较，发现其结果误差在工程允许范围内，证实了 流体辐射与对流稳态耦合换热.流体为辐射参与 本模型的适用性， 性介质，由N2,Si和SN4三种化学物质组成，硅 粉直接氮化(1000℃以上)合成氮化硅Si+2N2→ 1物理模型与控制方程 SiN+740kmo.预热管、高温管流动状态均为 11物理模型 二维轴对称稳态层流，与换热同时发展.不考虑 氮化硅反应炉装置如图1所示，预热管与高 体积力作用，忽略粘性耗散效应和第二粘性力 温管均水平放置.其工艺过程为：S和N2的混合 项.不考虑散射效应，管壁和管的进出口截面按 物经过预热升温进入高温管道，完全反应后收集 黑体处理，预热段与高温段的径向为向，轴向 为z向， 收稿日期：200411-15修回日期：200503-02 基金项目：留学启动基金项目(No.11140025) 1.2控制方程 作者简介：陈锦(1979-)，女，硕士研究生 物理模型在二维(~，z)圆柱坐标系下控制方

第 ，卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 门 。 沈 ’ 。 盯 〕 基于 软件的氮化硅反应炉 内热过程 的数值模拟 陈 锦 杨 晶 尹 少 武 王 立 北京科技大学机械工 程 学 院 ， 北京 摘 要 利用大 型商业 软件 建 立 了 高温氮 化硅 反应 炉 内温度场 的数学模型 ， 采 用拟 流 体模 型 数值模拟炉 内的层流流动 ， 分析 了氮气体积 流量 、 各 向异 性散射和辐射特性等 因素对温度场 和 产物质量浓度 的影 响 计算结果表 明 ， 为确保 反应 充分完全 ， 预热段温度控制显 得 非 常 重要 ， 而 氮 气体积流 量 起着决定 性 的作用 各 向异性 散射对 径 向温度 、 产 物质量 浓度有 一 定 的影 响 散射 率 对温度场 影 响很 小 计算值 与 实验 值相 比较 ， 误 差在 之 内 关键词 反应 炉 氮 化硅 温度场 数值模拟 分 类号 氮 化硅在 陶瓷材料 中享有 “ 全 能冠军 ” 之称 ， 它具 有抗氧 化 、 抗 热震 、 高温蠕变 小 、 电绝 缘 和 化 学性 能稳定 等特 点 ， 在冶金 、 航 空 、 化工 、 机械 、 半 导体等工 业 部 门 中具 有广 阔的应用 前 景 硅 粉 氮 化 实 验 装 置 温 度 场 的 分 布会 对 产 品 的质 量 、 设 备 的寿命 会产 生 很大 的影 响 本 文 旨 在通 过对氮 化 硅 反应 炉 内热过程 的数值模拟 ， 分 析炉 内温度场 和 氮 化硅质量浓度及 其影 响 因素 ， 目的是 为氮 化 硅 等 新 型 材料 的 高温 合 成 提 供 可 参考 的依据 本 文采 用 了计算 流体 动 力 学 软 件 拥 有 的流 体流 动 、 传 热 、 辐 射 、 化 学 反 应等通 用 模 型 但在 模拟硅 氮化 学 反应 时 ， 需将硅粉和氮化 硅 设 置 为流 体连 续介 质才 可模拟 反应 ， 所 以存 在 一 定 的局 限性 基 于 软 件化 学反应这 一 模 块 ， 采 用拟 流 体模型 ， 模拟 氮化硅 反应 炉 内辐射与对 流 稳态 祸 合 换 热 过 程 将 模 拟 结 果 与 实验 值 相 比 较 ， 发现其 结果 误 差 在 工 程 允许 范 围 内 ， 证 实 了 本模 型 的适 用 性 生成物 几孟 盛 早直 动 反应物 二二二二二二君 物理模 型 与控制 方程 物理 模型 氮 化硅 反应 炉 装 置 如 图 所示 ， 预热 管 与 高 温 管均水 平放 置 其 工 艺过程 为 和 从 的混 合 物经 过 预热 升温进 入 高温 管道 ， 完全 反应 后 收集 收稿 日期 一 巧 修 回 日期 刁 刁 基金项 目 留学启动基金项 目 作者简介 陈锦 华一 ， 女 ， 硕 士研究生 图 氮化硅反 应 炉示意图 俯视 图 褚 助妞七 即 加 刃洲 月 几 产物 涉及 的几 何 参数变 量 有 预热 管长 ， 内径 试 高温 管长 及 ， 内径 试 拐 角 半径 ， 连 接长度 本 文研究有 限长 圆管 内不 可 压 均 匀 多相 牛 顿 流 体辐 射 与对 流 稳 态祸合 换 热 流体 为辐射 参 与 性 介质 ， 由 ， 和 弓 三 种 化 学物 质 组 成 ， 硅 粉 直 接氮 化 ℃ 以上 合 成 氮 化 硅 一 沙 · 一 ’ 预 热 管 、 高温管流 动 状 态 均 为 二 维轴 对 称 稳 态 层 流 ， 与换 热 同 时 发展 不 考 虑 体 积 力 作 用 ， 忽 略粘 性耗 散效 应 和 第 二 粘 性 力 项 不 考 虑 散射 效应 ， 管壁 和 管 的进 出 口 截 面 按 黑 体处 理 预 热 段 与高温 段 的径 向为 向 ， 轴 向 为 向 ， 控 制方 程 物 理 模 型 在 二 维 ，习 圆柱 坐标 系 下 控 制 方 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．06．018

Vol.27 No.6 陈锦等：基于CFX软件的氨化硅反应炉内热过程的数值模拟 ◆711 程(P4,1随温度变化)如下 1=∑f,1-0.02+5×10-5×(T-273)为热导率同 (1)连续方程. (4)状态方程. 1aceU》aeV）-o r dr (1) pP-pRrZ备 (5) 式中，p=p,U-】p,U,=U,f为体积分数， (5)辐射传输方程， ∑=l,=N,Si,SiN,为了分析产物质量浓度.根 能量方程(4)中9，辐射项由辐射传输方程求 据硅氮反应机理，建立具有化学反应类似气相 解，，s)=(r,中，z;0,p),见图2.因长圆柱体轴向 组分质量守恒方程： 较长，仅沿径向存在辐射换热，所以辐射强度是 1d(dpu.r))d(pU,Y) 柱坐标r和方向S的函数，此时方向s需由极角日 r dz r oron oro 和方位角p确定，r)=(8,p),它对其他两个柱 (2) 坐标中和z的偏导等于零.轴对称散射相函数与 式中，-，2ln胶为单位体积下 RT 方位角p无关，仅是极角B的函数，P(s's户P), 组分i的密度；j为自由坐标，z;U,为j方向组分 其中4=cos8.在轴对称散射情况下，散射分布系 的速度：TpD为分子扩散系数；D为动力扩散 数与具体的辐射强度分布无关，仅取决于介质的 率，Du,=2.41×10m2s',Ds=2.35×10-m2s,DsN 散射相函数的形状特征，根据文献m计算得知为 -470x10*ms5o=w-0ke0- 大球漫反射散射，散射相函数为P(⊙F 之品门为组分质量生成速度；围为组分i sin日-Gc0s8,其中日为散射角，即为入射方 向s与散射方向s'之夹角，则散射分布系数 的相对分子质量；n为组分，m=N2,Si,SiN;, 6=13/9,主要为向后优越散射.全辐射传输方程 为组分i正逆化学计量系数，基元反应为反应系 可简化为： 数；冬-K()为浓度平衡常数：kk为正、逆反应 速度常数 (coi (k+k)r4,p)= 根据Arrhenius公式可知： k=Ae是，k=Ae是， kan+∫PKrudp' (6 式中，R为气体常数，T为热力学温度，AA,为指 g,=k(4l-」ru'p4dpy (7) 数前因子，E,E,为活化能.A=6.6331×10Jmo, 式中，k,k为吸收系数和散射系数：，I为黑体 E=3.6×103Jmol,A,=7.7109×102Jmol':E=1.1× 辐射强度和全辐射强度：T为热力学温度；P为散 10J.mol- 射相函数. (2)动量守恒方程 边界条件：管壁均匀包裹了电加热管，预热 r向：aU),1 0(rpU.U. 段管壁恒热流q1,高温段管壁恒热流q2. r dr +}） (rms) z向：oU2,1apyU) (3) dz r dr Rr.o.z op af ov.1a1 ov. 游z2片rwr ,273+T) 式中，pp为压强：H“,4S2万为 动力粘度，4a=1.66×10-6Pas为在0℃时的动力粘 P 度，S-104K为苏士兰常数. (3)能量方程 10(rpu.h)d(pU,)1 8g+rh8 y. dr 0z Or 8沿+9+a8 Oy (4) 图2圆柱坐标系 式中，9，为辐射项，9为化学反应放热项，h为焓： Fig.2 Cylindrical-coordinate system

丫 陈锦等 墓干 软 件的氮化硅 反 应 炉 内热过程 的数值模拟 程川 声挤 随温 度 变 化 如 下 连 续 方程 刁而 日幼 －一‘ 闷犷一‘ 二卜一今产二乙 吸 奋 口 护千厂志从 · “ ’” 一 ，‘ 为 热 导 率“ ， · 状 态 方 程 式 中 ， ，一 写 ， 衅尸 艺厂二 口 ， ， ， 。 刀式 乙了 不万口 艺 乃以 二 以 ， 为体积 分 数 ， 为 了分析 产 物质 量浓 度 根 据硅 氮 反 应 机 理 。 ，， 建 立 具 有 化 学 反 应 类 似 气 相 组 分 质 量 守恒 方程 侧云 刁伍 口犷 、 刁 义 、 卞示 ‘ 云」十亩终蓄 田 ， 二 二， ，厂 。 二 ， 爪 ‘ ， 。 ， ， 、 ， ， 式 中 ， 艺 整乡 ， 艺 二 ‘ ” ‘ 竺价崇兴丝 为单 位 体 积 下 ” 一 ‘ ’ 丫 一 “ ’ 尸‘ ” 十 以 汁 ’ 沙、 ’ 组 分 的密 度 为 自由坐标 ， 玩 为 方 向组 分 的速 度 厂甲刀 ， 为分 子 扩 散 系 数 ‘为动 力 扩 散 率 ， 坏 一 ，耐 · 一 ，， 二 一 ， · 一 ‘ ， ， ， ， 。 ， 。 ‘ ， ， ， ， 二 ‘ ， 「 丫 科 、 一 耐 · 一 ’ 。 户 爪 诃 ‘ ‘一 动瓜 后合 一 ， 一 ， 一 、 。 ， 。 汽 丫丫 矶 一 又 丫马 、 ， 二 ， 、 一 … 、 ， ， ， ， 涪 一 一 备 伪 组 分 质 量 生 成速 度 不 为组 分 凡 丫犷 爪 」‘ “ ， ’ 阴 ‘ 一 ” 二 二 ， 一 ， 。 二 ， · 的相 对 分 子 质 量 为组 分 ， 二二 ， ， 入 诚砂 为组 分 正逆 化 学计 量 系数 ， 基 元 反 应 为反 应 系 ‘ 按 。 ，， 、 、 、 洪 ， 、 ， 一 、 、 尸 、 数 书‘ 凡 乃 为浓度 平 衡 常数 ， 凡 为 正 、 逆 反应 肛 ’ 凡 “ ‘ 铲 ， 了 卜 从 ’ 冈 甲 从 ’ ‘ ’ ， ’ ， 梦 山 、 峪 认件 速度 常 数 根 据 公 式。 ，可 知 几钊 一命 ， 瓜钊 一备 ， 式 中 ， 为 气 体 常 数 ， 为 热 力 学 温 度 ， 、 为 指 数 前 因 子 ， ， 为 活 化 能 产 ‘ ， · 一 ，， 及 ， · 一 ’ ， ‘ · 一 ， 二 · 一 ’仪‘ 动 量 守恒 方程 辐 射传 输方 程 能量 方 程 中 ， 辐射 项 由辐 射传输方 程 求 解 ， ， 二 ， ， ，叻 ， 见 图 因长 圆柱体轴 向 较 长 ， 仅沿 径 向存 在 辐 射 换 热 ， 所 以辐 射 强度 是 柱 坐 标 和 方 向 的 函数 ， 此 时 方 向 需 由极 角 和 方位 角 必确 定 ， 声 ，妙 ， 它对其 他 两个柱 坐 标 价和 的偏 导 等 于零 轴对称 散射 相 函数 与 方位 角必无 关 ， 仅是 极角 夕的 函数 ， 洲沙认 斗如切 ， 其 中 户 在 轴对称散射情况 下 ， 散射 分布 系 数 与 具 体 的辐射 强度 分 布无 关 ， 仅 取 决 于介质 的 散射 相 函 数 的形 状特 征 根 据 文 献 ‘刀计 算得 知 为 大 球 漫 反 射 散 射 ， 散 射 相 函 数 为 八动“ ， 、 一 ， 、 ， ‘ 、 、 ， 、 ‘ 一 命 曰一 氏 氏 其 中 曰 为散射 角 ， 即为入 射 方 向 ‘ 与 散 射 方 向 了 之 夹 角 则 散 射 分 布 系 数 占 ， 主 要 为 向后 优越 散射 全 辐 射 传 输 方 程 可 简化 为 、耳 招 ，帕 刁 洲 ，帕 」 一丫 了 少二二气辉刀三 一二 必二 今井 乙二 ’ 口 尹 ’ 口 势 砚、了产、 ‘ 、、了尹 气 凡 娜 ，尹 从 。 嗡犷卫脚切， ， ，”中、 ‘ 、 碱憾 一 犷必 洲 ，，如 ” ， 〕 · 向沙鬓坦弓嘿黔 一乎磅卜餐件景 鲁 · 向 嘿黔告嘿黔 一餐 十 卦翎号翻 阴架 式 中 ， 瓦 ， 凡 为 吸 收 系 数 和 散射 系 数 几 ， 为 黑 体 辐 射 强度 和 全辐 射 强度 为 热 力 学温 度 尸为散 射 相 函数 边 界 条 件 管壁 均 匀 包 裹 了 电加 热 管 ， 预 热 段 管 壁 恒 热流 ， 高温 段 管壁 恒 热流 双今 飞 式中 ， 。 才为压 。 一 孙 ，， ，二稽兴责犷 为 、 、 、 ， 动力 粘 度 沼沪 为 在 ℃ 时 的动 力粘 度 ， 于 为苏士 兰 常 数 ‘ 能量 方程 、 巫落笋丛 十旦繁旦号 ， 业煞妙塾 式 中 ， 为辐射项 ， 矿为化 学 反 应 放 热 项 ， 为烩 图 圆柱坐标系 馆 · 恤

•712 北京科技大学学报 2005年第6期 进口条件：N,和Si粉的混合物，入口温度为 用量纲为1表示：轴向Z经云为某测量点位置， 303K,氯气和硅粉的质量比为瓷-8以氨 z为轴向总长，预热段径向R=头， 高温段径向 气体积流量2进入直径为d的预热管. 出口条件：相对压力为p=0Pa 足云 3.1氨气体积流量（进口速度） 2网格划分 取硅粉平均直径为25m,氮化硅平均粒径 5μm,按参考文献[8]计算硅粉和氮化硅带入速 因氧化硅反应炉几何图形特征尺寸相差很 度，其中粒子形状对带出速度有影响，粒子形状 大，网格的划分对计算结果影响很大，本文选用 越接近球形则计算值越精确，为确保硅粉与氨气 Patran Volume Meshing模型进行结构化网格划 能在管内正常流动并且充分反应，氮气实际流量 分.为确保进出口和边界计算的准确性，所以径 比硅氨反应理论值过量100%.C℉X模拟氮气操 向网格由边界向中心渐渐由密变疏，轴向网格由 作范围为1.07×10-2.00×104ms.因为氨气体 两端向中间渐渐由密到疏，共生成六面体238080 积流量若低于颗粒输运速度，颗粒就不能随氮气 个.网格划分如图3所示，图3(a)中间较密的小圆 一起流经管道；反之如果氮气流量过大，颗粒输 (即放大图3(6)为预热管截面网格划分，长度方 运速度过高，则温度偏低，反应不完全.图4为氨 向两头到中间由密到疏划分50个，在连接拐弯 气体积流量2=1.96×10m·s的温度分布曲线 处为20个：高温管截面网格划分如图3(a)所示， 图. 包括了中间小圆部分，长度方向两头到中间由密 图4(a)为轴向温度曲线，实验值与计算值变 列疏划分100个 化趋势相同，误差在10%之内.在Z-0.30.6时，由 (a) 于拐弯处速度场受到扰动，呈现湍流现象，传热 系数变大：此段温度达到反应温度1000℃左右， 开始反应放热，所以此段温度不断升高，大约在 2-0.6时达到最大值.在2Z-0.6~1.0速度趋于稳定， 流场呈现层流：在实验装置出口收集产品处是散 开的，从而在出口处散热大，温度相对会降低.图 4b),(c)为径向温度曲线，理论预测值与实测值变 图3氯化硅反应炉网格示意图 化趋势一样，预热段误差小于10%，高温段误差 Fig.3 Sketch map of grid for an Si,N-reaction furnace 小于5%. 图5为采用离散传播法计算例，在操作范围内 3结果与分析 体积流量2分别为1.43×10,1.96×10·m·s时 对于轴向，为了便于在同一图中比较，对应 的温度、产物质量浓度分布曲线.体积流量一定， 图1将预热段与高温段轴向连在一起看成沿轴 不管是预热管还是高温管的中心流速最大，壁面 变化，将预热段入口定为z0,高温段出口为 流速接近为零.从图5(a,b)和(c)均可看出：体积 z-(L-R)Ri(H-R)tla. 以下各图横坐标均采 流量大的，流速就大，流经管道时间就短，介质就 1400 1600(a) 1200 ⑥ 1700 “实验值 ,实验值 (c) ·实验值 1650 1200 1000 计算值 计算值 1600 出 800 计算值 800 600 F1550 400 1500 400 R=R2=0 200 Z=0.27 1450 Z=0.47 1400 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 3 0 0.5 1.0 1.5 Z 令 图4复气体积流量为Q=16×10m·s温度的实验值与计算值比较 Fig.4 Comparison between simulated value and experimental values of temperature at =1.96x10'm'.s

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 ‘ 期 进 口 条件 凡 和 粉 的混 合 物 ， 入 口 温 度 为 ， 氮气和 硅粉 的质 量 比为 从 ， 以氮 气 体积 流 量 么进 入 直 径 为 试的预热 管 出 口 条件 相 对 压 力为 网 格划 分 因氧 化 硅 反 应 炉 几 何 图形 特 征 尺 寸相 差 很 大 ， 网格 的划 分对 计 算结果 影 响很 大 ， 本 文选 用 加坦 模 型 进 行 结 构 化 网 格 划 分 为确 保 进 出 口 和 边 界计算 的准 确 性 ， 所 以径 向网格 由边 界 向中心渐渐 由密变疏 ， 轴 向网格 由 两端 向中间渐渐 由密 到疏 ， 共 生成六 面体 个 网格划 分如 图 所 示 图 中间较密 的小 圆 即放 大 图 为预 热 管截 面 网格划分 ， 长度 方 向两 头 到 中间 由密 到 疏划 分 个 ， 在 连 接拐 弯 处 为 个 高温 管截面 网格 划分如 图 所 示 ， 包括 了中间小 圆部 分 ， 长度 方 向两头到 中间 由密 晌万材‘ 决一 乙、 洲人 图 氮化硅 反 应 炉 网 格示惫图 酬 月 闷 ， 枷 几 结 果 与 分 析 对 于轴 向 ， 为 了便 于 在 同一 图 中 比较 ， 对 应 图 将 预 热段 与 高温 段 轴 向连 在 一起 看 成 沿 轴 变 化 ， 将 预 热 段 入 口 定 为 护 ， 高温 段 出 口 为 二， 一 俘 十 以下 各 图横 坐 标 均 采 用 量 纲 为 ，表示 轴 向 砖 ， 某 测 量 点位 置 ， · 为轴 向总 长 · 预 热 段径 向 凡音 ， 高温 段 径 向 凡音 · 氮气 体积 流 量 进 口 速 度 取 硅 粉 平 均 直径 为 “ ， 氮 化 硅 平 均粒 径 脚 ， 按参 考文 献 【 计 算硅 粉 和 氮化硅 带 入 速 度 ， 其 中粒 子 形状 对 带 出速 度 有 影 响 ， 粒 子 形 状 越 接近球形 则计算值越精确 为确保硅粉 与氮气 能在 管 内正 常流动 并且 充 分 反应 ， 氮气 实际流 量 比硅 氮 反 应 理 论 值 过 量 模拟 氮 气 操 作 范 围为 一 月一 一月 ， · 一 ‘ 因 为氮 气体 积 流量 若低 于颗粒输运速 度 ， 颗粒就不 能随氮气 一起 流经 管道 反之 如 果氮气 流 量 过 大 ， 颗粒输 运 速 度 过 高 ， 则温度 偏低 ， 反应 不 完全 图 为氮 气 体 积 流 量 么 面 · 一 ， 的温 度 分 布 曲线 图 图 为轴 向温 度 曲线 ， 实验 值 与 计算 值变 化趋 势相 同 ， 误差 在 之 内 在于 刁 时 ， 由 于 拐弯处速 度场 受到 扰 动 ， 呈 现 湍流现 象 ， 传热 系数 变大 此 段温度达 到 反应 温度 ℃ 左 右 ， 开 始反应 放 热 ， 所 以此 段温度 不 断 升 高 ， 大 约在 时达 到最大值 在 三 卜 速 度趋 于稳 定 ， 流场 呈现层 流 在实验装 置 出 口 收集产 品处 是 敞 开 的 ， 从而 在 出口 处 散热 大 ， 温度 相对会 降低 图 ， 为径 向温 度 曲线 ， 理论 预 测值 与实测 值变 化 趋 势 一样 ， 预 热段 误 差 小于 ， 高温 段 误差 小 于 图 为采用离散传播 法计算 ， 在操 作 范 围内 体 积 流 量 么 分 为 一 ‘ ， 一 一‘ 记 · 一 ’ 时 的温度 、 产 物质量 浓度 分 布 曲线 体 积流 量 一 定 ， 不管是 预 热 管还 是 高温 管 的 中心 流速 最 大 ， 壁 面 流 速 接近 为零 从 图 ， 和 均 可看 出 体积 流 量大 的 ， 流速就 大 ， 流 经 管道 时 间就短 ， 介质就 一 “ 广书“ 计 ” ， 凡 二 丽卜‘ 实验值 实验值 昌 卜 经 卜 计算值 吕 计算值 又 洲 图 氮气体积流 为汤尸 一 ， · 一 ，温 度的 实验值 与计算值 比较 婚 加 卜 既 加 忱 必产 ， ‘ 一 ， · 一

Vol.27 No.6 陈锦等：基于CFX软件的氨化硅反应炉内热过程的数值模拟 713· 1400 (a (b) 1200 ◆◆◆◆ 】600 一由 1000- 一■一一■一一 1200 800 ◆Q%1.43×104m'·s -◆一2=1.43×10→m3,31 600 一■一Qx=1.96×10m3s1 800 ■-2=1.96×10m3g1 400 Z=0.27 Z=0.47 400 200 0 0 0 0.5 1.0 1.5 0 0.5 1.0 1.5 R R 1600 (c) 0.6d E0.5 1200 0.4 800 ◆一2=1.43×10-‘m3s 0.3 ◆一2=1.43×10+m3g1 ■Q=1.96×10‘m38 0.2 ■Q=1.96×10m331 400 R,=R2=0 0.1 R=R2=0 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 Z Z 图5体积流量对温度与氨化硅质量浓度影响 Fig.5 Volume quantity of N,influencing on the temperature field and the mass density of Si,N. 得不到足够长时间预热升温，从而温度就偏低， 向辐射射程大，换热量很小，所以基本上辐射热 由图5(a),(b)可看出：①在不同的体积流量（进口 流沿径向传播，轴向很少，从而从图6(a)可看出， 速度)下，管道中心位置的速度差最大，那么中心 对轴向温度影响就很小，辐射基本沿径向传播， 上的流体在管中停留时间差就最大，从而温差就 各向异性散射方向主要为向后散射，也就是说热 最大，由中心到壁面温差不断减小：②预热管内 流基本分布在径向上，而各向同性散射无方向占 径与高温管内径之比d,/d=0.15,则预热管的平均 优现象，所以从图6(b),(c)可看出，各向异性对预 速度大于高温管的平均速度.体积流量不同时， 热段和高温段径向温度有一定的影响，从而对图 预热管对应的速度差比高温管的速度差大很多， 6()径向质量浓度分布产生影响. 从而对预热管影响较明显，而对高温管影响较 33散射率ω对温度场的影响 小.根据图5(c)分析图5(d):预热段介质温度不断 图7研究辐射特性，在对温度场的影响。 升高，但未达到反应温度，没有氮化硅生成：高温 Q=1.43×10m3·s,用离散传播法求解辐射方 段拐弯处，流场受扰动，开始反应放热，图5（©）温 程.辐射传热主要依赖于传输介质的辐射特性， 度呈升高趋势，相应的氮气密度变小，氮气质量 对于氮化硅粉反应炉而言，所需要考虑的介质可 浓度降低，从而氨化硅质量浓度不断增加，最终 分为气体介质和颗粒介质.其中，前者主要是N2 反应完全达到最大值：因收集产品的出口为敞开 双原子分子，后者则包括Si和SiN.颗粒的辐射 式，散热大，图5(c)温度又呈降低趋势，相应的氮 特性不但与颗粒的电磁特性有关，还与颗粒的尺 气密度变大，氮气质量浓度升高，从而氨化硅质 度、结构以及粒子数的密度等因素有关，本文从 量浓度就呈减小状态， 实验测得的颗粒光学常数出发"，根据文献[]大 32蒙特卡洛法计算各向异性散射对温度场的 球近似理论计算得到一定尺寸颗粒的辐射特性， 影响 进而结合颗粒的粒径分布、颗粒负荷得到粒子云 光子束数为n=10000个，体积流量为 的局部辐射特性.通过模拟计算，从图7中可见， 0,=1.43×10m3s.由于实验装置直径与高度之 散射率的不同对温度场、产物质量浓度几乎没有 比很小，那么径向射程相对较小，换热量很大，轴 影响

一 陈锦等 基 于 软件 的氮化硅 反 应 炉 内热过 程 的数值 模拟 ，’ 七 碑一 士一 二二二 别、 、 卜 二 一闷卜一一 么 二 义 一 ， · 一 ， 一 汤万 一令 、 ，二 一 ， · 一 ， 一刁卜一 必“ 义 一 ， · 一 ‘ 二 ‘，石凸 。 ‘ 网 日 卜 闷卜 汤 ‘ 一 ‘ ， · 一 ， 一门卜一 汤 一 ‘ ， 一 二 二 侧说馒牟嘱罗︾咖越 让住仓让山倪，， 几且胜 气‘八 八曰 园、味 咭 图 体积流量对 温 度与氮化硅 质量浓 度影响 · ，以 凡 伍 比 ， 得 不 到足 够 长 时 间预热 升温 ， 从而温 度 就 偏 低 由 图 ， 可 看 出 ① 在 不同 的体 积 流 量 进 口 速 度 下 ， 管道 中心 位 置 的 速度 差最 大 ， 那 么 中心 上 的流 体在管中停 留时 间差就 最大 ， 从 而温差就 最 大 ， 由 中心 到壁 面温 差 不 断减小 ②预 热 管 内 径 与高温 管 内径 之 比试 习 ， 则预 热 管 的平 均 速 度 大于 高温 管 的平 均速 ， 度 体积 流 量 不 同时 ， 预 热 管对 应 的速 度差 比 高温 管 的速 度 差 大 很 多 ， 从 而 对 预 热 管 影 响 较 明显 ， 而 对 高 温 管 影 响较 小 根据 图 分 析 图 预 热 段介质温 度 不 断 升 高 ， 但 未达 到 反应温度 ， 没有氮化硅生 成 高温 段 拐 弯 处 ， 流 场 受扰 动 ， 开始 反 应放 热 ， 图 温 度 呈 升 高趋 势 ， 相 应 的氮 气 密 度变 小 ， 氮 气 质 量 浓 度 降低 ， 从 而氮 化 硅 质 量 浓度 不断 增 加 ， 最 终 反应 完全 达 到最 大值 因收集产 品的 出 口 为 敞开 式 ， 散热 大 ， 图 温 度 又 ， 呈 降低趋 势 ， 相 应 的氮 气 密度 变 大 ， 氮气 质 量 浓 度升 高 ， 从 而 氮 化 硅 质 量 浓度就 呈 减 小状 态 蒙特 卡 洛 法 计 算各 向异 性 散射 对 温 度 场 的 影 响 ’‘ 。， 光 子 束 数 为 个 ， 体 积 流 量 为 纵 二 ‘ 一 ‘ ， · 一 ，， 由于实验装 置直 径 与高度之 比很 小 ， 那 么 径 向射程 相对较 小 ， 换热 量 很 大 ， 轴 向辐射 射 程 大 ， 换 热 量 很 小 ， 所 以基 本上 辐 射 热 流 沿径 向传 播 ， 轴 向很 少 ， 从 而 从 图 可 看 出 ， 对 轴 向温 度 影 响 就 很 小 辐 射 基 本 沿 径 向传 播 ， 各 向异 性 散射 方 向主 要 为 向后散 射 ， 也 就 是 说 热 流 基 本 分 布在径 向上 ， 而 各 向同性 散射 无 方 向 占 优 现 象 ， 所 以从 图 ， 可 看 出 ， 各 向异 性对 预 热 段和 高温段 径 向温 度 有 一 定 的影 响 ， 从 而对 图 径 向质 量 浓 度 分 布产 生 影 响 散 射 率 。 对 温 度场 的影 响 一 ，一 二 ‘ ， 无 ， 、 ， 一 ，， 。 ， 二 图 研 究辐 射特 性 功二群石对 温度 场 的影 响 · 场产 ‘ 一‘ ， · 一 ’ ， 用 离 散 传 播 法 求 解 辐 射 方 程 辐 射 传 热 主 要 依 赖 于 传 输 介 质 的辐 射特 性 ， 对 于氮 化 硅粉 反应 炉 而 言 ， 所 需要考 虑 的介质 可 分 为气 体 介质 和 颗 粒 介质 其 中 ， 前 者主 要 是 凡 双 原子 分 子 ， 后 者 则包 括 和 凡 颗粒 的辐 射 特性 不但 与颗粒 的 电磁 特 性 有 关 ， 还 与颗 粒 的尺 度 、 结构 以及 粒 子 数 的密 度 等 因素 有 关 本文 从 实 验 测 得 的颗 粒 光 学 常数 出发 ‘， ， 根据文 献 大 球近似 理 论计算 得 到 一 定 尺 寸颗 粒 的辐射特 性 ， 进 而 结合 颗粒 的粒径分 布 、 颗粒 负荷 得到 粒 子 云 的局 部辐 射特 性 通 过模 拟 计 算 ， 从 图 中可 见 ， 散射率 的不 同对 温 度场 、 产物 质 量浓 度几 乎没 有 影 响

714 北京科 技大学学报 2005年第6期 16oo1间 1220b 1200 1200 1180 R1=R2=0 兰 800 ◆一各向同性 关110 一■一各向异性 1140 Z=0.27 400 1120 ◆一各向同性 ■了 ■一各向异性 1100 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 1480 0.40 (c) 0,35 (d) 1460 1440 1420 Z=0.47 Z=0.47 1400 020 一◆一各向同性 ◆一各向同性 1380 ■一各向异性 1360 量一各向异性 蓝0.05 1340 0 0 0.5 1.0 0 0.5 1.0 1.5 R 图6各向异性散射对温度、氨化硅质量浓度影响 Fig.6 Anisotropic scattering influencing on the temperature field and the mass density of Si,N. 1270 1800 (a) (b) 1260 1600 1250 1400 1240 1200 1230 2=0.27 兰1wm Z=0.47 800 1220 —◆一0=0.5 600 ◆—0=0.5 1210 一量一=0.7 400 量一w=0.7 1200 200 119 0 0 05 1.0 1.5 0.5 1.0 1600 (c) 0.6d 1400 1200 1000 R1=R2=0 Soo R1=R,=0 坐 0.3 ◆0=0.5 600 ◆—0=0.5 ■—0=0.7 400 -量一w=0.7 200 0 0.5 1.0 15 0.5 1.0 1.5 图7辐射特性对温度、氨化硅质量浓度影响 Flg.7 Radlation property Influencing on the temperature field and the mass density of Si,N. 4结论 结果影响很大，尤其对预热段影响较大.为确保 反应充分，需控制好进口体积流量，使得介质在 (1)模拟计算值与实验值误差在10%之内. 预热段得到充分预热. (2)氮气体积流量即进口速度的不同，对计算 (3)在高温段入口处，由于流场受到扰动，温

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 二 园、从 今一 各 向同性 一刁 一 各 向异性 园、从 ，，，且，二 ，一，乙，立直 己，乙目八匆 一叫少 一 各向同性 一」 卜一 各 向异性 二 州卜一 各 向同性 刁卜 各向异性 二 一令 各向同性 门卜 各向异性 一尸工 牟埔爱喇妈御︾侧价浏日‘ 、﹄园 凡 图 ‘ 各 向异性散射对温 度 、 氮 化硅质 浓度影响 啥 血。 加 加 比 伍 ， 礼 吕、 刊卜 切 二 」 。 仓 、园从 一今冲 功 二 欣 门 口 一口︸曰一目户，、一 盛、卜 ︸气 二 凡 巴 ， 今一 田 卜 臼 园 。 、卜 曰 月卜一 门卜 山 。 。 。 ‘ ’ 网 甲” · ” 署 。 铡 锐 卜 叫 唱 卜 似 尽 。 ，卜 骊 一 ’ 八 图 ， 辐 射特性对温度 、 氮化硅质皿浓 度影 响 如 功 碑 卜 加 ， 结 论 模拟 计 算值 与实验 值误 差 在 之 内 氮气 体积流量 即进 口 速度 的不 同 ， 对 计算 结 果影 响 很 大 ， 尤 其对 预 热 段影 响 较 大 ， 为 确 保 反 应充 分 ， 需控 制 好进 口 体积 流 量 ， 使 得 介 质 在 预 热段 得 到 充分预 热 ， 在 高温 段 入 口 处 ， 由于流 场 受 到扰 动 ， 温