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