Диссертация (1143641), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Являясь соответственно исходным реагентом и продуктомпротекания химической реакции они имеют отклонения значений для разных сеток порядка 2%.Это соответствует разнице абсолютных значений в 3-й значащей цифре (см. Таблицу 3.6.9).Отклонения уменьшаются с увеличением плотности расчетных узлов.Другая ситуация наблюдается для значений скорости химической реакции. Согласнопредставленным в таблице 3.6.9 данным, абсолютные значения в некоторых точках отличаютсяуже в первой значащей цифре, поэтому целесообразно детально рассмотреть причинысуществования таких различий.
На рисунке 3.6.5 показаны нормированные значения скоростихимической реакции для рассматриваемых сеток в каждой из 6 точек микрореактора.Из графика следует, что в точках 1, 2 и 3 отклонения значений не очень большие (менее25%). Эти точки лежат на оси микрореактора. В точках 1 и 2 абсолютные значения скоростиочень малы (см. Таблицу 3.6.6). Напротив, в точке 3 наблюдается максимум скоростихимической реакции.
Для точек в микрореакторе 4, 5 и 6 наблюдается последовательный ростотклонений, вплоть до величин в 325%. Чем дальше от оси микрореактора, тем эти отклонения87больше. Абсолютные значение скорости химической реакции в этих точках лежат междузначениям переменной в точках 3 и 1.Рисунок 3.6.5 – Нормированные значения скорости химической реакции для различных сетокИз сказанного можно сделать однозначный вывод, что расчетная ошибка существенноувеличивается при отдалении от оси микрореактора. В данном случае также повторяетсязависимость отклонений полученных значений переменных от плотности расчетных узлов.
Длясетки №4 ошибки являются максимальными, для сетки №1 – минимальными.Причина столь различного поведения переменной скорости химической реакции отплотности узлов по сравнению со всеми другими переменными видимо кроется в самойприроде химического процесса. Скорость химической реакции зависит от температуры,давления, концентрации исходных реагентов и продуктов химической реакции. Соответственнонебольшие расчетные ошибки, численная диффузия, характерная для грубых сеток и другиефакторы мультиплицируются и вызывают достаточно большую ошибку в скорости химическойреакции.
Такое положение вещей и значительные отклонения расчетных значений скоростихимической реакции для сеток 3 и 4 не позволяют нам использовать их для исследованиямикрореактора. Поэтому для расчетов химических процессов рекомендуется использоватьрасчетные сетки №1 и №2.Последним этапом сравнения расчетных сеток является выяснение того, как плотностьрасчетной сетки влияет на отображение малых изменений в геометрии микрореактора. Дляпояснения можем рассмотреть гипотетический пример микроканала некоторого условногодиаметра, в котором построена расчетная сетка. Предположим, что нам теперь нужнорассмотреть микроканал аналогичной формы, размер которого немного отличается отисходного.
При этом возникает следующий вопрос. Можно ли для проведения качественного88расчета оставить такое же число узлов на сетке микроканала, т.е. уменьшить их плотность или,наоборот,плотностьузловдолжнасохраниться,аихобщеечислоизмениться,пропорционально изменению геометрических размеров микроканалов. Для ответа на этивопросы, в случае рассмотрения микрореактора, мы использовали следующий подход.Геометрия микрореактора была немного изменена, в частности увеличен радиус центральногоканала и зазор между реактором и подложкой на 1 мкм (10%). Для удобства описанияизмененную геометрию микрореактора будем называть геометрией (II), а исходную геометрией(I).
Соответственно полная геометрия микрореактора (II) будет описываться таблицей 3.6.10,построенной по аналогии с таблицей 3.6.1Таблица 3.6.10. Параметры геометрии расчетной области для геометрии (II)Номер расчетной областиРазмер, мкмililixliy1l111642l211113l339114l41011При сохранении плотности расчетной сетки, для новых размеров реактора необходимопересчитать число узлов в каждой расчетной области. Поскольку при пересчете частополучаются нецелые значения, все они округлялись до целого числа узлов.
Новые данные почислу узлов для всех расчетных сеток показаны в таблице 3.6.11.Таблица 3.6.11. Параметры сеток в каждой расчетной областиЗонаj=1j=2j=3j=4iNixjNiyjNixjNiyjNixjNiyjNixjNiyj1551281101783398227825555110110333322223985515611068335822440554011025331522Для исследования изменений, которые произошли в распределении физических величинпри вариации геометрии микрореактора, мы сравнили эти две модели с сеткой с наибольшейплотностью узлов (Сетка №2).
Для наглядного представления было рассмотрено сечение,параллельное оси ох на расстоянии 50 мкм от оси симметрии реактора. Выбор этого сечения89объясняется двумя причинами. Во-первых, на середине этого сечения лежит тестовая точка 6,точные числовые значения физических величин в которой приведены в таблице 3.6.9. Вовторых, рассматриваемая область находится недалеко от выхода из микрореактора,соответственно в ней отражаются все изменения, которые произошли в микрореакторе приварьировании его геометрии.На рисунке 3.6.6 показаны графики распределения физических величин для двухвариантов геометрии микрореактора. Все графики показывают, что изменения распределенияпараметров являются значительными.
Для остальных вариантов расчетных сеток необходимобудет проверить, как эти изменения отражаются в результатах соответствующих расчетов.На рисунке 3.6.6 (а) показано изменение профиля скорости в зазоре, между подложкой истенкой микрореактора. Сама форма профиля сохранилась, но максимальное значение (а значити расход газа) увеличилось, что легко объясняется увеличением общего расхода газа черезцентральный канал, который для случая геометрии (II) имеет радиус 11 мкм, против 10 мкм длягеометрии (I). Распределение температуры в зазоре между подложкой и стенкой микрореакторасохранило свой характер, как показано на рисунке 3.6.6 (б). Рисунки 3.6.6 (в) и (г) отражаютизменения массовых долей SiH4 и SiH2.
По причине увеличения общего расхода газов искорости их движения, среднее время пребывания реагентов в микрореакторе уменьшилось.Это приводит к увеличению концентрации как исходного компонента SiH4, так и SiH2, которыйявляется промежуточным веществом при осаждении кремния.Описанные изменения произошли при варьировании геометрии микрореактора примернона 10%. При этом можно справедливо предполагать, что для случая расчета модели с самойплотной сеткой (сетка №2) эти изменения геометрии корректно отражаются в результатахмоделирования. При этом на 1 мкм, на который увеличился диаметр центрального каналаприходится 10 узлов.Сравнениерезультатовмоделированиядлягеометриимикрореактора(II)прииспользовании различных сеток показало результаты, аналогичные описанным для геометрии(I).
Т.е. для всех физических величин, кроме скорости химической реакции, отклонениясоставляют не более 3%. Это означает, что все рассмотренные сетки адекватно отражаютизменения геометрии микрореактора. С учетом всех предыдущих результатов для исследованиямикрореакторов можно рекомендовать использовать расчетные сетки №1 и №2. С учетомоптимизациивременныхзатратнавыполнениевычислений,оптимальнымявляетсяиспользование расчетной сетки №1 для большинства случаев. Привлечение расчетной сетки №2возможно для проверки точности некоторых, особенно важных решений.90(а)(б)(в)(г)Рисунок 3.6.6 – Изменение распределения значений переменных в сечениях микрореакторапри варьировании геометрии: (а) скорость потока; (б) температура; (в) массовая доля SiH4;(г) массовая доля SiH23.7.
Выводы к главе 3В данной главе рассмотрены детали математической модели, которая используется вкачествеметодапроведенияисследования.Рассмотреныиобоснованыосновныепредположения и допущения, связанные с использованием подхода сплошной среды,ламинарностью потока и стационарности рассматриваемого состояния микрореактора.Приведена решаемая в модели система дифференциальных уравнений динамики вязкогосжимаемого реагирующего газа. В качестве метода дискретизации, при численном решенииданной системы уравнения используется метод конченых объемов, а в качестве метода решения– метод сопряженного градиента.
Особое внимание уделено вопросам выбора расчетной сетки,которая позволила бы получать численные решения с приемлемой точностью, при разумномколичестве затрачиваемых ресурсов. Сравнены 4 сетки и выбрана наиболее подходящая длядальнейшего применения. Рассмотренная модель в дальнейшем используется в качествеосновного инструмента для исследования свойств микрореакторов для локального химическогоосаждения из газовой фазы.91Глава 4. Исследование закономерностей процесса локального химическогоосаждения из газовой фазы в микрореакторе4.1.
Микрореактор для локального химического осаждения из газовой фазыВ настоящей главе рассмотриваются основные свойства химического микрореактора сгазовой фазой и гетерогенной химической реакцией. Поскольку одной из основных целейприменения микрореакторов является проведение процессов локального осаждения по методухимического осаждения из газовой фазы (ХОГФ), мы подробно рассмотрим микрореактор,который позволяет проводить такой процесс и исследуем влияние основных параметров.Рассмотрим обобщенную модельную химическую систему, с целью найти свойствагазофазных микрореакторов и максимально исключить влияние химических особенностей,которые присутствуют в любом конкретном технологическом процессе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
