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

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

、 陈锦 等 基 于 软件 的氮 化 硅反 应 炉 内热 过 程 的 数 值模 拟 度 偏 高 ， 且 在 此 段 达 到氮 化 硅 反 应 温 度 ， 开 始 反 应放 热 结果 分析表 明 ， 在此 段 的温度 偏 大 ， 氮气 密度 变 小 ， 从 而 氮气 质 量 浓 度 降低 ， 氮 化 硅 质 量 浓度偏 高 收集 产 品 的 出 口 为 敞开式 ， 散热 大 ， 温 度 呈 减 小趋 势 ， 氮 化 硅 质 量 浓 度 降低 管子较 细 ， 各 向异 胜对 径 向温度影 响相应 较 明显 ， 则径 向氮 化硅 质 量 浓 度 也 受 到 一 定 的影 响 ， 而 轴 向温 度 、 质 量 浓 度 几 乎 不 受什 么 影 响 介 质 辐 射 特 性 如 散 射 率对 温度 和 产 物 质 量 浓 度 的影 响很 小 参 考 文 献 【 张 远 君 编 流 体力 学大全 北 京 北 京 航 空 航天 大 学 出版 社 ， 黄 惠 宁 相 和 相 氮化硅 的形成 机理 与 动力 陶瓷研 究 ， ， 华 彤 文 ， 杨骏英 ， 陈 景 祖 ， 等 普通 化 学原 理 北京 北 京 大 学版 社 ， ， 比 代 ， ， 孔珑 主 工 程 流体 力学 北 京 水利 电力 出版 社 ， 周 箔清 传热 学 北京 冶 金 工 业 出版 社 ， 孙 鸿 宾 ， 殷晓静 ， 杨 晶 辐 射换热 北 京 冶金 工 业 出版社 ， 金 涌 ， 祝金 旭 ， 汪 展 文 ， 等 流 态 化工 程 原理 北 京 清 华 大 学 出版社 ， ， 眠 ， ， 」 巧 ， ， ， 肋 竹 ， ， 川 叮 ， ， 扣 ， ” ， ， 凡 一 月万 沂刀 ， ， 恻刃 ， ， ， 卫 一 ， ， ， ， ， 。， 伍 丘