基于CFX软件的氮化硅反应炉内热过程的数值模拟.pdf_大学文库

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

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 ·715· 度偏高，且在此段达到氮化硅反应温度，开始反大学版社，1993 应放热.结果分析表明，在此段的温度偏大，氮气 [4]Huttinger J L.Zur kinetik der azotierung des siliziums.High Temp High Pressures,1969,1(2):221 密度变小，从而氮气质量浓度降低，氮化硅质量 [5]孔珑主，工程流体力学.北京：水利电力出版社，1992 浓度偏高：收集产品的出口为敞开式，散热大，温 []周筠清.传热学，北京：治金工业出版社，1999 度呈减小趋势，氮化硅质量浓度降低 [7]孙鸿宾，殷晓静，杨品辐射换热.北京：冶金工业出版社， (4)管子较细，各向异性对径向温度影响相应 1996 [8]金涌，祝金旭，托展文，等.流态化工程原理.北京：清华大较明显，则径向氮化硅质量浓度也受到一定的影学出版社，2001 响，而轴向温度、质量浓度几乎不受什么影响. [9]Lockwood F C.Shah N G.A new radiation solution method for (⑤)介质辐射特性如散射率对温度和产物质 incorporation in general combustion prediction procedures.In: 量浓度的影响很小， Eighteenth Symp Inton Combustion,The Combustion Institute. 1981.1405 [10]Emery A F,Johansson O,Lobo M,et al.A comparative study of 参考文献 methods for computing the diffuse radiation viewfactors for [】张远君编，流体力学大全，北京：北京航空航天大学出版 complex structures.J Heat Transfer,1991,113:413 社，1991 [11]Nobuyoshi K,Hideki K,Yoshiyuki S,et al.Optical characteriza- [2]黄惠宁.“相和B相氮化硅的形成机理与动力.陶瓷研究， tion of porous silicon by synchrotron radiation reflectance spec- 1996,11(1):16 tra analyses.Appl Phys Lett,1993,63(20):2774 [3]华形文，杨骏英，陈景祖，等.普通化学原理.北京：北京 Numerical simulation on thermal process in an Si;Na-reaction furnace with CFX CHEN Jin,YANG Jing,YIN Shaowu,WANG Li Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT A numerical simulation on the thermal process for an Si,N,-reaction furnace based on the software CFX was investigated.A similar flow model was used to numerically simulate the laminar flow in the furnace.The influence of some different factors such as volume quantity of N2,anisotropic scattering and radiation properties on the temperature field and mass density of products was studied.The results showed that the temperature control on the preheating zone was important for full reaction.However,the volume quantity of Na,i.e.,inlet velocity,plays a crucial role.Anisotropic scattering influenced on the radial temperature and mass density of products.Absorption coefficient and scattering coefficient influenced little on the temperature field.The error between simulated and ex- perimental values was less than 10%. KEY WORDS silicon nitride;numerical simulation;temperature field;reaction furnace