基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,含有限元,說明書+CAD+PROE,基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,基于,ansys,噴霧器,噴嘴,仿真,研究,鉆研,有限元,說明書,仿單,cad,proe 第39卷第6期 南開大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2006年12月 Act口SciP咒ti口r“，口t讓，nZi“，行U咒f可ersit口is口雄點(diǎn)口iP以sis V01396 Dec2006 文章編號(hào)：04657942(2006)06一0045一04 薄膜工藝中的系統(tǒng)仿真研究 王慶章， 趙庚申， 許盛之， 王 瑜 (南開大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所，天津300071) 摘要：簡要介紹了系統(tǒng)仿真的概念，結(jié)合利用軟件FLUENT對(duì)簿膜工藝噴霧氣流場進(jìn)行流人本力學(xué)仿真 的實(shí)例，介紹了建模、仿真的步驟給出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)建模和幾何建模的方法，最后給出了利用模型進(jìn)行仿真的 結(jié)果，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析結(jié)果表明，系統(tǒng)仿真技術(shù)可以大大提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本，加深對(duì)工藝過 程的理解，不失為一種新的研究方法 關(guān)鍵詞：系統(tǒng)仿真；薄膜；沉積；噴霧氣流場 中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A O 引 言 系統(tǒng)仿真(System simulation)簡稱仿真，是一門面向?qū)嶋H的具有很強(qiáng)應(yīng)用特性的學(xué)科，就是在數(shù)學(xué)建 模的基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)及其圖形處理技術(shù)，對(duì)現(xiàn)實(shí)的或者設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行模擬其嚴(yán)格的定義是：仿真技 術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè) 備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)1美國政府在預(yù)測二十 一世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)時(shí)，將系統(tǒng)仿真技術(shù)列為最關(guān)鍵的技術(shù)之一 在納米氧化物薄膜超聲快速沉積技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化研究項(xiàng)目中的噴頭設(shè)計(jì)中利用軟件FLUENT對(duì)噴霧 氣流場做了流體力學(xué)仿真，通過仿真得到的結(jié)果，一方面可以在不需要實(shí)際制造噴頭情況下驗(yàn)證噴頭的設(shè) 計(jì)效果，大大提高了設(shè)計(jì)的效率和降低了設(shè)計(jì)成本；另一方面給出了全面、詳細(xì)而又直觀的結(jié)果，使研究者 加深了對(duì)薄膜工藝過程的了解 1 FLUENT軟件對(duì)噴射的氣流場的仿真 FLUENT是通用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流 動(dòng)由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，F(xiàn)LUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度 分三個(gè)步驟使用FLUENT軟件對(duì)流場進(jìn)行仿真： (1)數(shù)學(xué)建模：通過建立控制方程來描述流體力場； (2)幾何建模：構(gòu)建立體幾何圖形，并對(duì)圖形進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用的工具是Gambit； (3)利用求解器計(jì)算以及后處理(圖形化顯示計(jì)算結(jié)果) 11數(shù)學(xué)建模 因?yàn)椴煌牧鲃?dòng)采用的數(shù)學(xué)模型是不一樣的，所以在對(duì)流場建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，首先要確定流體的類型 和流動(dòng)的方式按照流體的粘性可以分為無粘流體和粘性流體，但是無粘流體只是一種為了理論研究方便 而假定的理性流體，實(shí)際的流體都是具有粘性的粘性流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)在不同的初始和邊界條件下會(huì)出現(xiàn) 不同的狀態(tài)，一種是作無規(guī)則不定向的混雜運(yùn)動(dòng)，即湍流狀態(tài)；另一種是所有流體質(zhì)點(diǎn)作定向有規(guī)則的運(yùn) 動(dòng)，即層流狀態(tài)根據(jù)雷諾數(shù)R口來判斷是湍流還是層流： 收稿日期：20060715 基金項(xiàng)目：天津科技培育項(xiàng)目(043101311) 作者簡介：王慶章(1951一)，男，河北深縣人，高級(jí)工程師，主要從事微電子及太陽能電池應(yīng)用研究 萬方數(shù)據(jù) 46 南開大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 第39卷 尺P=等 (1) 其中，u為流體速度，y為運(yùn)動(dòng)粘度，d為管徑(對(duì)于非圓形斷面的管道，以當(dāng)量直徑如進(jìn)行計(jì)算)當(dāng)RP 2 320時(shí)，管中是湍流 已知因素是氣體的流量，需對(duì)式(1)進(jìn)行變換，得到下式： 一等一等=焉=翕 其中，S為斷面的面積，q為流體的體積流量(該量是本實(shí)驗(yàn)中的可知量) 由于氣流并不大，暫且假設(shè)其流動(dòng)屬于層流態(tài)，估算最大的雷諾數(shù)如果最大的雷諾數(shù)都能滿足 Re2 320，就可以驗(yàn)證假設(shè)是正確的另外，噴頭的不同部分的當(dāng)量直徑如也不一樣，取最小的直徑來求 得最大雷諾數(shù)，直徑最小的地方在噴頭的縫出口，大小計(jì)算如下： D一裊=旦型鼉儼138 mm (3) 上式中的1 mm15 mm是出口縫隙的長和寬的乘積取運(yùn)動(dòng)粘度y為23610叫m2s，雷諾數(shù)為：m=箍一扳齋簧等銷躲65，92 320 (4) 流體是層流然后針對(duì)層流流體根據(jù)質(zhì)量、動(dòng)量守恒方程和能量方程建立數(shù)學(xué)模型 12質(zhì)量守恒方程 質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程是流體力學(xué)的基本方程質(zhì)量守恒方程如下： 害+要(膨i)=& (5)國a復(fù)“ 。” 該方程是質(zhì)量守恒的總的形式，可以適合可壓和不可壓流動(dòng)源項(xiàng)5。是稀疏相增加到連續(xù)相中的質(zhì) 量，(如液體蒸發(fā)變成氣體)或者質(zhì)量源項(xiàng)(用戶定義) 對(duì)于二維軸對(duì)稱幾何條件，連續(xù)方程可以寫成： 害+丕(膨)+曇(矽)+等一5。 (6) 式中，z是軸向坐標(biāo)，r是徑向坐標(biāo)，托和穢分別是軸向和徑向速度分量 13動(dòng)量守恒方程 慣性坐標(biāo)系下，i方向的動(dòng)量守恒方程為： 曇(膨i)+未(膨鵯)一一襄+挈+豫+E (7) 式中，戶是靜壓，乙，是應(yīng)力張量，定義為： =弘(差+甏)一號(hào)弘豢如 c8， JD毋，R是重力體積力和其它體積力(如源于兩相之間的作用)，F(xiàn)，還可以包括其它模型源項(xiàng)或者用戶 自定義的源項(xiàng) 14能量方程 由于所計(jì)算的流體是氣體，并且速度不能忽略，所以是一種可壓縮的流體對(duì)可壓縮流體建模時(shí)需要 用到能量方程： 曇(郵)+丕(以衄+戶)一鑫(五彬瑟一翠b，+啄u。，+s。) (9) 式中，愚。，=愚；+五為有效導(dǎo)熱系數(shù)(湍流導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)湍流模型來定義)，是組分歹的擴(kuò)散通量方 程右邊前三項(xiàng)分別為導(dǎo)熱項(xiàng)、組分?jǐn)U散項(xiàng)和粘性耗散項(xiàng)&是化學(xué)反應(yīng)熱和其它體積熱源的源項(xiàng)其中： 萬方數(shù)據(jù) 第6期 王慶章等：薄膜工藝中的系統(tǒng)仿真研究 47 E一一上+尋 (10) Z n n 對(duì)于理想氣體，焓定義為：一4m，矗，；對(duì)于不可壓縮氣體，焓定義為：一4m，矗，+等m，一是組分歹7 j J P 廣丁 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，組分歹的焓定義為：，一I o，d丁，其中丁一一29815 K Ji ref 15幾何模型 建立幾何模型需要確定幾何形狀并生成網(wǎng)格 建立幾何模型的工具有很多，本文采用Gambit，是 FLUENT軟件自帶的幾何建模工具，因此不會(huì)存在 兼容性問題用Gambit劃分的網(wǎng)格見圖1 16問題的求解和結(jié)果的分析 數(shù)學(xué)模型和幾何模型的建立是利用FLUENT 求解問題的前提FLUENT本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)學(xué)求解 器，利用有限體積法或者有限元方法求解非線性微 分方程使用FLUENT軟件包含兩個(gè)步驟：模型輸 入和求解器設(shè)置設(shè)置求解器，即確定采用什么樣的 方法和方式來求解數(shù)學(xué)方程組，比如設(shè)置迭代的步 長，合理的求解器設(shè)置可以較快、較穩(wěn)定地得到收斂 的結(jié)果 幾何模型通過導(dǎo)入Gambit創(chuàng)建的網(wǎng)格文件而 輸入 圖l噴頭幾何模型(網(wǎng)格模型) Fig 1 Geometry mOdeI of spray nozzIe 數(shù)學(xué)模型的輸入包括以下步驟： (1)選擇控制方程：求解流場問題，采用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量方程； (2)確定流體物性：即流體本身的性質(zhì)，如粘度、密度等； (3)指定邊界條件 在計(jì)算完成之后，由于實(shí)驗(yàn)關(guān)心的是氣流速度及其是否均勻，因此對(duì)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行了后處理，得到下 面的直觀的顯示： 圖2噴頭對(duì)稱面上的速率等高圖 Fig2 C0ntOur map at symmetry Of nozzIe 圖3噴頭側(cè)面上的速率等高圖 Fig3 COntOur map at side Of nOzzle 上面從不同角度顯示了速度分布，從結(jié)果中很清楚地看出：從噴口縫出來的氣流在經(jīng)過對(duì)沖、混合之 后已經(jīng)相當(dāng)?shù)鼐鶆蛟谒衅渌螤畹膰婎^中(由于篇幅關(guān)系，其他噴頭的設(shè)計(jì)以及仿真本文未給出)，此 結(jié)構(gòu)的噴頭的效果最好，實(shí)際的測試與仿真的結(jié)果相當(dāng)?shù)奈呛希罱K實(shí)現(xiàn)了20 cm20 cm面積的均勻鍍 膜并成功在上面制備出效率達(dá)到596的非晶硅太陽電池，向產(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)了一大步 萬方數(shù)據(jù) 48 南開大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 第39卷 2結(jié) 論 利用FLUENT軟件對(duì)工藝過程中的氣流場進(jìn)行了仿真，加快了實(shí)驗(yàn)速度，使噴頭的制造和改進(jìn)更有 針對(duì)性，大大的降低了研發(fā)成本系統(tǒng)仿真技術(shù)的運(yùn)用關(guān)鍵在于建立精確的數(shù)學(xué)和幾何模型，這些可以通 過仿真軟件包中的相應(yīng)工具快速的完成仿真技術(shù)已經(jīng)成為繼理論研究和實(shí)驗(yàn)研究之后認(rèn)識(shí)和改造客觀 世界的第三種方法2本文只是仿真技術(shù)應(yīng)用在薄膜工藝研究領(lǐng)域的實(shí)例之一，實(shí)際上系統(tǒng)仿真技術(shù)甚 至可以在計(jì)算機(jī)上建立起完整的虛擬的薄膜制備工藝線，由于篇幅所限不再詳述相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、 建模技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)將會(huì)在該領(lǐng)域有越來越重要的作用和地位 參 考 文 獻(xiàn) 1王行仁面向二十一世紀(jì)，發(fā)展系統(tǒng)仿真技術(shù)J系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1999，11(2)：7482 2王行仁建模與仿真技術(shù)的若干問題探討J系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16(9)：1 8961 897 Application of System Simulation in Thin Film Manufacturing Wang Qingzhang，Zhao Gengshen，Xu Shengzhi，Wang Yu (J咒stit“地0，Po加一PZPfro行ics DP口icP口咒d 7f咒D如g)，o，丁鋤FiZm，口竹五撕【，挖i口P邶i砂，T如諺砣300071，CIli以口) Abstract：The concept of system simulation was introduced with the example of simulating the spray field in thin film d印osmonThe steps of modeling and simulating were given also in the paper The method to construct mathematics model and geometry model was given in de tail。The simulation was preceded and analyzedSystem simulation is helpful in getting higher efficient，10wer cost，and deeper understanding Key words：system simulation；thin film；deposition；spraying field 萬方數(shù)據(jù) 薄膜工藝中的系統(tǒng)仿真研究 作者： 王慶章， 趙庚申， 許盛之， 王瑜， Wang Qingzhang， Zhao Gengshen， Xu Shengzhi ， Wang Yu 作者單位： 南開大學(xué),光電子薄膜器件與技術(shù)研究所,天津,300071 刊名： 南開大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 英文刊名： ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS NANKAIENSIS(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 2006,39(6) 被引用次數(shù)： 1次 參考文獻(xiàn)(2條) 1.王行仁 建模與仿真技術(shù)的若干問題探討期刊論文-系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào) 2004(09) 2.王行仁 面向二十一世紀(jì),發(fā)展系統(tǒng)仿真技術(shù)期刊論文-系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào) 1999(02) 引證文獻(xiàn)(1條) 1.李桂琴.陸利新.葉曉軍.李紅波.夏士偉 高效太陽能電池薄膜生長工藝優(yōu)化模型的研究及其意義期刊論文-制造 業(yè)自動(dòng)化 2011(5) 本文鏈接：http:/