提拉法是工业化生长硅单晶最广泛使用的方法,由于晶体生长炉内的几何条件、加热装置、熔体特性等情况复杂,要准确地获得流场的信息,正确把握生长炉内所有传输现象,需要将炉内所有构成要素全部加以考虑进行分析,建立有效的全局分析模型。全局分析也是了解流场整体特性和晶体生长炉结构特征的必要途径。本文针对提拉法晶体生长全局特点,研究内容包括以下几个方面:(1)在提拉法晶体生长过程中,辐射换热将在热量传递过程中起主要作用,气体介质参与辐射传热作用很小,主要表现为表面之间的辐射换热。分析了不同辐射模型的特点,并对封闭方腔的辐射传热进行了模型间的数值对比分析,结果显示在封闭空间内采用面对面辐射换热模型比其他模型更为准确;(2) Bousinesq近似在提拉法晶体生长的数值模拟中被普遍采用,但对强旋转流的模拟却不能得到合理结果,本文提出了修正Bousinesq近似模型,结果显示考虑了离心力和科氏力的修正Boussinesq近似模型能够对强旋转流进行有效的数值模拟;(3)建立了熔体简化模型,模拟了熔体的流动和换热状况,分析了由温度梯度引起自然对流,以及由晶体和坩埚旋转引起的强迫对流对熔体对流的影响,为真实条件下的晶体生长数值分析提供参考;(4)相变界面形状往往对晶体生长的质量有重要影响,分析了晶体生长过程的相变运动边界特征,借助了相变区域多孔介质假设,实现了相变界面形状的模拟。建立了提拉法晶体生长的全局数值模型,模型综合考虑晶体生长炉内的高温热辐射、热传导、自然对流和表面张力流耦合作用。并对动量方程和能量方程进行了修正,把控制方程统一在一个通用微分方程形式上,对求解方程离散,实现了全局下的数值求解。此外,用所建全局模型对小尺寸的提拉法硅晶体生长进行全局数值模拟,合理地预测了流场信息,如系统温度分布、流场和相变界面形状,同时对结果进行了分析,验证了全局分析的重要性和可行性。结果表明:所建全局模型能较真实地反映晶体的实际生长环境,为优化晶体生长炉结构和生长工艺提供参考。