噴流轉(zhuǎn)晶法KDP晶體生長系統(tǒng)的流動與傳質(zhì)數(shù)值模擬研究.pdf

1、用于研究慣性約束聚變的高能激光器需要大量的用于電光開關(guān)和變頻器的非線性晶體切片。KDP晶體（磷酸二氫鉀，KH2PO4）由于其獨特的物理特性，是目前唯一用于這些應用的非線性晶體。隨著激光功率的提高，優(yōu)質(zhì)的大尺寸KDP晶體快速生長成為近年來的研究重點。
　　根據(jù)已有的研究知道，晶體表面過飽和度的分布對晶體表面形貌穩(wěn)定性及包裹物的生成有關(guān)，而這些又直接決定了晶體最終質(zhì)量的好壞。因此研究的重點就是想辦法在晶體表面獲得一個相對均勻且較高的過

2、飽和度場。對于溶液法生長KDP晶體，通常采用晶體旋轉(zhuǎn)的方式來使溶液對流，一方面可以起到對溶液進行機械攪拌的作用，一方面通過轉(zhuǎn)速的調(diào)配控制晶體表面所受到的剪切力，從而控制溶質(zhì)邊界層厚度，增加傳質(zhì)。雖然旋轉(zhuǎn)KDP晶體可以達到提高晶體生長速度的目的，但是在旋轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)一個問題。由于靠近旋轉(zhuǎn)軸的晶體表面與其周圍的溶液相對速度較小，導致表面剪切力小，而表面剪切力又與溶質(zhì)邊界層厚度成反比，結(jié)果是自然對流成為晶體尖端附近區(qū)域的主要溶質(zhì)運輸機制。由

3、于自然對流的傳質(zhì)能力小于強制對流，最終會導致晶體錐面過飽和度不均勻，而晶體表面過飽和度不均勻的后果將極大的增加包裹物出現(xiàn)的概率。
　　可見，對流在控制晶體生長過程中尤為重要。充分了解溶液法晶體生長中的流動規(guī)律，對于進行合理的晶體生長工藝設(shè)計和參數(shù)選擇是至關(guān)重要的。但是僅僅依靠傳統(tǒng)的實驗手段想要實時的了解幾何結(jié)構(gòu)復雜且晶體高速運動時生長容器中的流場及晶體表面的過飽和度分布存在非常大的困難。因此，在計算機技術(shù)高度發(fā)達的今天，數(shù)值計算逐

4、漸成為研究和優(yōu)化晶體生長過程的一種重要手段。
　　基于以上背景，本文從計算流體力學的基本理論知識出發(fā)，緊緊圍繞溶液晶體生長過程中數(shù)值模擬的若干問題展開研究，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)晶法制備KDP晶體中所存在的問題基礎(chǔ)上提出了一種帶噴流的KDP晶體生長新系統(tǒng)，并采用數(shù)值計算的手段對新系統(tǒng)下的流動及質(zhì)量輸運特性進行了分析。具體的研究內(nèi)容如下：
　?。?）在了解溶液法生長晶體的理論基礎(chǔ)上建立了模擬晶體生長的CFD模型，并通過一個簡單的溶液晶體生長

5、模型進行了實例分析。對于晶體生長源項的影響，我們通過加載一個垂直于晶面的合適厚度的體積源項來解決；對CFD中兩種常用的湍流模型進行了對比，通過試驗數(shù)據(jù)對比，認為采用“標準 k-ε模型”加上“加強壁面函數(shù)處理”處理的方式更為合理；分析了自然對流對于晶體表面過飽和度的影響，增大晶體表面和周圍溶液的相對速度可以改變?nèi)芤旱牧鲃訝顟B(tài)，湍流對物質(zhì)的輸運效果明顯優(yōu)于層流。
　　（2）基于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)晶法制備 KDP晶體中所存在的缺點，提出了一種帶噴流

6、的KDP晶體生長新系統(tǒng)，模擬了新系統(tǒng)的流場與質(zhì)量輸運，討論了兩種方法湍流流場的時空特性，重點研究了表面過飽和度分布，并通過改變晶體尺寸、噴流速度、旋轉(zhuǎn)速度來定量考察新型生長系統(tǒng)的特征。結(jié)果表明：噴流轉(zhuǎn)晶法KDP晶體生長新系統(tǒng)中，錐面過飽和度及其均勻性都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)晶法，噴流速度增加可以提高晶面過飽和度，但均方差卻會先減小后增大；隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，晶體棱邊所受到的剪切力逐漸增加，因此過飽和度亦隨之提高，均方差逐漸變??；隨著晶體尺寸的增