Cz晶体生长系统中热对流的热力学稳定性分析

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Czochralski(Cz)法是从融体中生长单晶体的重要方法之一,在单晶的生长过程中,高温融体的流动状态是影响单晶品质的主要因素。复杂融体的热对流,主要是由浮力不稳定性、毛细力引起的表面张力不稳定性以及由旋转引起的离心力不稳定性等引起的。为了更好的控制融体的热对流,需要对热对流系统中各个不稳定性因素进行分析探讨。目前国内外对热对流稳定性的研究主要有线性、非线性稳定性理论以及正交分解等方法,这些研究方法主要是从动力学的角度对引起流体不稳定性的作用力进行研究,分析各作用力对流场不稳定性所做的贡献大小以及流场的动力学行为,而从热力学方面进行流场稳定性分析的研究还几近空白,本文就是通过对融液流场熵产生的空间分布以及其随时间的变化进行详细分析,探求单晶体制备过程中高温融液流场的稳定特性。Lyapounov(里亚普诺夫)稳定性理论是讨论非线性方程组解的稳定性的强大工具,Lyapounov直接法的实质是通过构造Lyapounov函数即V函数,不用求解方程,利用V函数及其全导数dV/dt的性质,即可对非线性方程解的稳定性做出直接判断。由于在非平衡热力学中,熵产生与非平衡体系的不可逆过程直接相关联,即在任何体系任何实际发生的单一不可逆过程中熵产生都是正的,有φ>0的特点,因此在本研究中,开发熵产生φ为V函数,利用数值计算的方法,通过研究其全导数dφ/dt的性质来判断流场的稳定特性。研究以CZ法晶体生长系统中坩埚内高温融体为研究对象,在轴对称情况下,仅考虑浮力和表面张力作用时,建立了简化的物理数学模型,在此基础上,详细推导了与本模型相适应的熵源强度计算公式。计算中流动控制方程为N-S方程,采用有限体积法离散计算区域,并使用中心差分格式,速度-压力的耦合采用HSMAC算法,并应用计算机语言Fortran进行编程,对生长炉内的融液热对流进行了大量的数值模拟计算。本文详细分析了三种情况即:浮力单独作用、表面张力单独作用以及浮力和表面张力共同作用时数值计算的结果,得出了全场熵产生随时间变化的曲线、根据曲线的发展趋势对流场的稳定性进行了判断,同时得到了瞬时温度场和瞬时熵源强度场的空间分布特征,并分析了随着各作用力的增大,流场热力学参数的变化趋势及特点,研究了形成流场熵源强度分布特征的原因。研究结果表明:Lyapounov稳定性理论可以用于分析热对流流场的稳定性,熵产生可以做为Lyapounov直接法的V函数。通过本文的研究,丰富了热对流流体不稳定性的研究方法,拓宽了Lyapounov稳定性理论的应用领域。
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