CN106326568A - 一种基于cfd技术的碳化硅合成炉模拟分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟分析方法，包括如下步骤：S1基于待处理的碳化硅合成炉，进行CFD前处理；S2基于CFD的前处理的结果，进行CFD求解；S3基于CFD的求解结果，进行CFD后处理。本发明通过对Acheson碳化硅合成炉内传热传质过程进行模拟，可以确定适合于合成过程的最佳供电参数，最适合生产的配合料的孔隙率。从而可以有效降低能耗、避免喷炉事故的发生。

Description

一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟分析方法

技术领域

本发明涉及一种针对Acheson碳化硅合成炉的CFD模拟分析方法。

背景技术

碳化硅具有化学性质稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等优越性能，广泛应用于功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料等领域。但目前工业上生产碳化硅大多条件简陋。

目前，CFD技术由于较高的精度和低廉的成本，得到了广泛的使用，在冶金化工等领域利用CFD技术来优化合成反应器的技术迅速发展，但是国内未见利用CFD技术对碳化硅来研究Acheson碳化硅合成炉的专利公开。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于CFD技术的Acheson碳化硅合成炉的模拟分析方法，以实现可以完整精确得到控制合成过程的最优参数，且操作简单适用范围广。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟分析方法，包括如下步骤：

S1基于待处理的碳化硅合成炉，进行CFD前处理；

S2基于CFD的前处理的结果，进行CFD求解；

S3基于CFD的求解结果，进行CFD后处理。

进一步的，所述步骤S1，具体包括：

(1)针对实际模型进行简化假设，确定简化模型；

(2)设定物性参数，包括配合料的比热容、导热系数和密度，然后定义边界；

(3)对模型进行网格划分。

进一步的，所述步骤(1)，进一步包括：

使用DesignMolder建模软件，对碳化硅合成炉建立三维模型，并根据需要对模拟整体进行简化处理：

(1)合成炉除顶部外，做密封处理；

(2)将热源设置在炉体中心部位；

进一步的，所述步骤(2)，进一步包括：

通过反应配合料的物性参数，设置边界条件、物理模型并初始化流场。

进一步的，所述步骤(3)，进一步包括：

对热源附近采用局部加密的方式进行网格划分，整体采用结构化网格。

进一步的，所述步骤S2，具体包括：

实验室测定了不同温度下的配合料物性参数值，通过拟合处理获得各物性参数随温度变化的多项式函数，将其带入模拟软件中进行设定，加载热源功率，完成基本的参数及边界定义后开始对碳化硅合成过程中的传热传质过程进行求解分析。

进一步的，所述步骤S3，具体包括：

对结果进行分析，应用后处理软件得到碳化硅合成炉内不同时刻炉内温度及压力的分布情况、气体流动特性、配合料孔隙率对合成过程的影响，从而分析得出最适于生产的合成参数及改进炉体设计方案。

本发明公开的一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟分析方法，具有以下有益效果：

本发明通过对Acheson碳化硅合成炉内传热传质过程进行模拟，可以确定适合于合成过程的最佳供电参数，最适合生产的配合料的孔隙率。从而可以有效降低能耗、避免喷炉事故的发生。

附图说明

图1(a)为本发明中Acheson碳化硅合成炉简化模型图。

图1(b)为本发明中Acheson碳化硅合成炉网格划分图。

图2(a)-图2(c)为本发明中Acheson碳化硅合成炉内不同时刻温度分布图。

图3(a)-图3(c)为本发明中Acheson碳化硅合成炉内不同时刻压力分布图。

图4(a)-图4(f)为本发明中Acheson碳化硅合成炉中不同孔隙率下炉内温度分布柱状图。

图5为本发明中Acheson碳化硅合成炉中不同孔隙率下炉底最大压力曲线图。

其中：1-热源，2-炉体

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟分析方法，包括如下步骤：

S1基于待处理的Acheson碳化硅合成炉，进行CFD前处理；

S2基于CFD的前处理的结果，进行CFD求解；

S3基于CFD的求解结果，进行CFD后处理。

作为一种具体实施例，所述步骤S1，具体包括：

(1)针对实际模型进行简化假设，确定简化模型；

(2)设定物性参数，包括配合料的比热容、导热系数和密度，然后定义边界；

(3)对模型进行网格划分。

作为一种具体实施例，所述步骤(1)，进一步包括：使用DesignMolder建模软件，对Acheson碳化硅合成炉建立三维模型，并根据需要对模拟整体进行简化处理：

(1)合成炉除顶部外，做密封处理，认为合成炉的气密性和保温性能良好；

(2)将热源设置在炉体中心部位，且热源的导热性能良好；

作为一种具体实施例，所述步骤(2)，进一步包括：通过反应配合料的物性参数，设置边界条件、物理模型并初始化流场。

作为一种具体实施例，所述步骤(3)，进一步包括：对热源附近采用局部加密的方式进行网格划分，整体采用结构化网格。

作为一种具体实施例，所述步骤S2，具体包括：实验室测定了不同温度下的配合料物性参数值，通过拟合处理获得各物性参数随温度变化的多项式函数，将其带入模拟软件中进行设定，加载热源功率，完成基本的参数及边界定义后开始对碳化硅合成过程中的传热传质过程进行求解分析。涉及的参数包括：(1)炉体保温墙与空气的换热系数；(2)反应中所涉及的物质(SiO2、C、Si、SiC、CO)的比热容、导热系数、密度物性参数。

作为一种具体实施例，所述步骤S3，具体包括：对结果进行分析，应用后处理软件得到碳化硅合成炉内不同时刻炉内温度及压力的分布情况、气体流动特性、配合料孔隙率对合成过程的影响，从而分析得出最适于生产的合成参数及改进炉体设计方案。

实例1：

1数值模拟

1.1几何模型

以国内工业实际碳化硅冶炼炉为原型建立几何模型，其三维模型和网格划分如图1所示。热源1设置在炉体2的中心部位。

1.2数学模型

激活能量方程，采用辐射DO模型，化学反应采用组份传输模型，湍流模型为k-ε模型，对于配合料区域采用多孔介质模型；

1.3系统边界条件设置

基于FLUENT设定系统的边界条件：

(1)热边界条件：对热源的四个边界类型设定为HOTWALL(热边界)，热源表面负荷加载12W/cm²。

(2)保温墙壁面条件：炉壁的边界类型也设定为WALL(壁面边界)，并设定壁面与空气的换热系数为0.8W/(㎡·K)。

(3)化学反应加载：选择完全预混的反应模型，加载化学反应，第一步设定反应：SiO2+3C→SiC+2CO↑；第二步设定反应：SiC→Si↑+C；

(4)多孔介质设定：激活多孔介质模型，可在孔隙率设置对话框设定不同孔隙率条件，来研究配合料不同孔隙率对合成过程的影响。

1.5物性参数的设定

将炉内的反应物假定为一种物质(等效物质)，通过现有的数据利用数学方法分别外推出其他温度点所对应的各项参数，再通过加权的方法分别得到等效物质的比热容、导热系数、密度，如表1～表3所示，将测定的物性参数带入到FLUENT物性参数输入对话框中。

表1合成炉等效物质导热系数值(W·m^-1·K^-1)

表2反应物料得比热容C_P

表3合成炉内配合料等效物质的密度

2结果分析

2.1合成炉内温度场分析

图2是Acheson碳化硅合成炉内不同时刻温度分布图，从图中可以看出热量由热源向外呈近似圆形向外扩散，在上述炉型及配料比情况下，供电24h时热源附近温度达到1800℃碳化硅合成反应开始进行(研究表面碳化硅合成初始温度为1800℃)，合成反应继续进行从模拟云图上可以看出供电36h时热源附近温度已经达到2600摄氏度(即碳化硅分解温度)，此时应该控制供电功率，开始进行停炉准备。

2.2合成炉内压力场分析

图3是Acheson碳化硅合成炉内不同时刻压力分布图，从图中可以看出，压力最高处出现在供电24h左右，最高压力集中在炉体底部位置。根据分析在实际生产时，此时就应该降低供电功率避开压力峰值，且增加炉体底部透气性，从而避免喷炉事故的发生。

2.3配合料不同孔隙率下温度及压力分布特性

图4为Acheson碳化硅合成炉中不同孔隙率下炉内温度分布柱状图。本发明通过设定不同的配合料的孔隙率可以得到不同孔隙率下的炉内温度分布区域比例图，生产时需要将适合于碳化硅生产的温度区域尽量过大，从图中可以看出配合料的孔隙率越高适合碳化硅生长的区域越小。图5为Acheson碳化硅合成炉中不同孔隙率下炉底最大压力曲线图，从图中可以看出炉内最大压力随着配合料孔隙率的增加呈现先增加后减少趋势，工业生产过程中除了要考虑温度范围外，也要保证压力不要过大造成喷炉事故，通过综合以上两方面因素，考虑避开压力峰值且保证适合碳化硅生长的范围最大化，根据模拟结果，考虑配合料孔隙率在30～32％之间比较合适。

3结论

本发明通过对Acheson碳化硅合成炉内传热传质过程进行模拟，可以确定适合于合成过程的最佳供电参数，最适合生产的配合料的孔隙率。从而可以有效降低能耗、避免喷炉事故的发生。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1基于待处理的碳化硅合成炉，进行CFD前处理；

S2基于CFD的前处理的结果，进行CFD求解；

S3基于CFD的求解结果，进行CFD后处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟分析方法，其特征在于，所述步骤S1，具体包括：

(1)针对实际模型进行简化假设，确定简化模型；

(2)设定物性参数，包括配合料的比热容、导热系数和密度，然后定义边界；

(3)对模型进行网格划分。

3.根据权利要求1所述的一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟分析方法，其特征在于，所述步骤(1)，进一步包括：

使用DesignMolder建模软件，对碳化硅合成炉建立三维模型，并根据需要对模拟整体进行简化处理：

(1)合成炉除顶部外，做密封处理；

(2)将热源设置在炉体中心部位。

4.根据权利要求1所述的一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟分析方法，其特征在于，所述步骤(2)，进一步包括：

通过反应配合料的物性参数，设置边界条件、物理模型并初始化流场。

5.根据权利要求1所述的一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟 分析方法，其特征在于，所述步骤(3)，进一步包括：

对热源附近采用局部加密的方式进行网格划分，整体采用结构化网格。

6.根据权利要求1所述的一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟分析方法，其特征在于，所述步骤S2，具体包括：

实验室测定了不同温度下的配合料物性参数值，通过拟合处理获得各物性参数随温度变化的多项式函数，将其带入模拟软件中进行设定，加载热源功率，完成基本的参数及边界定义后开始对碳化硅合成过程中的传热传质过程进行求解分析。

7.根据权利要求1所述的一种基于CFD技术的碳化硅合成炉模拟分析方法，其特征在于，所述步骤S3，具体包括：

对结果进行分析，应用后处理软件得到碳化硅合成炉内不同时刻炉内温度及压力的分布情况、气体流动特性、配合料孔隙率对合成过程的影响，从而分析得出最适于生产的合成参数及改进炉体设计方案。