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36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍1、概述还原炉流场及温度场数值模拟计算主要是描述还原炉内气体流动的流体力学和表面反应动力学模型，应用于多晶硅生产过程模拟，利用流体力学的偏微分方程组，得到还原炉内气体的流场和浓度场及温度场的模拟计算结果，分析底盘进气喷嘴与硅棒相对位置对气体的影响。
1.1 还原炉内多晶硅形成过程SiHCl3与氢的还原在大型钟罩式还原炉内进行。
SiHCl3与H2混合气体经过一套组合喷嘴进入炉体内。
混合气体上升过程中形成稳定的气体射流，受硅芯表面阻力作用形成一定厚度的速度边界层，满足热力学条件时反应气体通过边界层向硅芯表面扩散发生多晶沉积，径向生长。
其描述如下：反应气体转移到基体（硅芯）上；反应气体被基体表面吸附；基体表面化学反应；表面成核与扩散；副产物从基体表面解析；副产物从基体上方移走，重新回到主气流。
2、数值计算方法与模型多晶硅制备采用化学沉降法，具有纯度高、致密度高等有点，但反应在气相中发生，带来了在沉积过程中气体流型稳定性、反应温度分布均匀性、产物浓度平衡性等问题。
将流体力学和表面反应动力学模型应用于多晶硅生长过程模拟，计算还原炉速度流动场、温度场、表面反应及扩散过程，建立生长初始条件和反应过程各组分的理论关系。
各种气体在还原炉内运动规律的数学模型有：流体流动的连续性方程、动量方程、能量方程、辐射传热方程、组分传递与扩散方程及表面反应动力学方程。
3、计算结果分析采用CFD软件对上述模型进行求解运算，得到气体沉降法制备多晶硅的还原炉内气体的流动（流场）、气体浓度、温度（温度场）及沉积速度的分布。
3.1 气体的流动分布（流场）36对电极还原炉的进气喷嘴布置的六方体中心，在相同的气体流量下，喷嘴与硅棒、电极的方位影响还原炉内的气体分布及硅棒表面的气体的速度边界层。
模拟计算机图中可知：混合气流从喷嘴射出，在空间上升经由壁面回流至还原炉底部并流出，整体气体分布较均匀：气体沿着硅芯平滑分布，表面形成均匀分布的气体膜，便于反应沉积的进行。
数值建模在电子级多晶硅制备中的应用马启坤;赵桂洁;宋东明;陈丽娟;张健雄【摘要】利用化工模拟软件建立还原炉数值模型,通过还原炉炉内在各种条件下的温度场、流场模拟测试,得出最佳的运行工艺参数,形成完整的还原运行曲线.经实践检验,利用模拟工具得出的运行参数有利于电子级多晶硅的制备,建模工作在电子级多晶硅的生产上取得了很好的效果.【期刊名称】《云南冶金》【年(卷),期】2019(048)003【总页数】5页(P65-69)【关键词】电子级多晶硅;还原炉;数值建模;还原运行曲线【作者】马启坤;赵桂洁;宋东明;陈丽娟;张健雄【作者单位】昆明冶金研究院,云南昆明650031;云南省选冶新技术重点实验室,云南昆明650031;云南冶金云芯硅材股份有限公司,云南曲靖655011;云南省光电子硅材料制备技术企业重点实验室,云南曲靖655011;云南冶金云芯硅材股份有限公司,云南曲靖655011;云南省光电子硅材料制备技术企业重点实验室,云南曲靖655011;云南冶金云芯硅材股份有限公司,云南曲靖655011;云南省光电子硅材料制备技术企业重点实验室,云南曲靖655011;云南冶金云芯硅材股份有限公司,云南曲靖655011【正文语种】中文【中图分类】TM914.4+1半导体工业（尤其是集成电路工业）是信息产业的基础和核心，是国民经济现代化与信息化建设的先导与支柱产业，是改造和提升传统产业及众多高新技术产业的核心技术。
随着全球电子信息产业快速发展，高科技领域对电子级多晶硅的需求量有所增加。
据硅业分会统计，2017年全球多晶硅产量为43.9万t，需求多晶硅41.4万t，电子级多晶硅需求量为3万t，总需求量为44.4万t[1]。
电子级多晶硅是主要的半导体电子材料和国防航空的战略性基础材料，在整个硅产业链中具有极其重要的意义和地位，其后续产品广泛应用于电子信息领域。
在未来的几十年里，还不可能有其他材料能够替代硅材料而成为电子信息产业主要原材料。
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍在多晶硅生产过程中，电极还原炉是一个至关重要的设备，用于将气相中的氯化硅还原成多晶硅。
在电极还原炉内，通过电弧加热的方式使氯化硅还原成多晶硅，并最终沉积在电极上。
为了更好地了解电极还原炉内的流场和温度场分布情况，可以进行数值模拟计算。
数值模拟计算是通过建立数学模型，利用计算机进行计算，模拟实际物理过程。
在电极还原炉流场及温度场数值模拟计算中，可以采用计算流体力学（CFD）方法，结合传热传质理论，对电极还原炉内气体流动和传热过程进行模拟。
通过数值模拟计算，可以获得电极还原炉内的温度分布、气体流动速度和压力分布等关键参数，为优化电极还原炉设计和操作提供重要参考。
在进行电极还原炉流场及温度场数值模拟计算时，首先需要建立电极还原炉的几何模型。
通常可以采用计算机辅助设计（CAD）软件对电极还原炉进行三维建模，包括炉体、电极、电弧等关键部件。
建立几何模型后，需要进行网格划分，将计算区域离散化为小的网格单元，以便进行数值计算。
接下来，需要建立物理模型和数学模型。
在电极还原炉内气体流动和传热过程中，需要考虑流体的动量守恒、能量守恒和质量守恒方程，以及气体的热传导、辐射传热和对流传热等物理过程。
通过建立这些方程组，可以描述电极还原炉内的流场和温度场分布情况。
通过电极还原炉流场及温度场数值模拟计算，可以获得电极还原炉内关键参数的变化规律，为优化设备设计和操作参数提供指导。
同时，数值模拟计算还可以节约成本、降低风险，提高生产效率和产品质量。
因此，电极还原炉流场及温度场数值模拟计算在多晶硅生产中具有重要的应用价值。
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍多晶硅是半导体产业中常用的材料之一，用于制造太阳能电池和集成电路等器件。
实现高质量的多晶硅生产需要一个优化的电极多晶硅还原炉的设计。
为了准确地理解和改进电极多晶硅还原炉的工作原理，数值模拟计算是一种有效的手段。
电极多晶硅还原炉流场和温度场数值模拟计算是通过计算流体力学（CFD）方法来模拟还原炉内部的气体和固体颗粒的流动以及温度分布情况。
这种模拟计算可以提供关键参数的准确预测，从而优化还原炉的设计。
首先，进行电极多晶硅还原炉流场数值模拟计算，需要建立还原炉的几何模型。
通常，还原炉由炉体、电极、吹气系统和加热系统等组成。
通过CAD软件或者其他几何建模软件，将还原炉的几何形状转化为数值计算所需的网格模型。
网格的精细程度对数值计算的精度有影响，因此需要根据具体情况进行网格划分。
接着，通过CFD软件对还原炉的流场进行模拟计算。
在模拟计算中，需要考虑气体的流动和固体颗粒的运动。
对于气体流动，需要考虑雷诺平均Navier-Stokes方程、湍流模型以及边界条件等。
对于固体颗粒的运动，需要考虑颗粒的运动方程，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等。
在模拟计算中还需要考虑到电极多晶硅还原炉的加热系统对温度的影响。
加热系统通常由电炉、加热元件以及其他辅助设备组成。
这些部件的有效设计对于保持还原炉内部温度的均匀性非常重要。
模拟计算的结果可以提供有关还原炉内部流场和温度场的详细信息。
这些信息可以用来检测和解决流动不均匀性和温度梯度不均匀性等问题。
此外，还可以针对不同操作条件进行数值模拟计算并比较结果，以优化还原炉的设计。
在进行数值模拟计算时，需要注意的是模拟的准确性和计算的效率。
准确性取决于模型的设定和参数选择，而计算效率则取决于计算资源的使用和模拟算法的选择。
总之，电极多晶硅还原炉的流场和温度场数值模拟计算是优化还原炉设计的重要手段。
通过建立几何模型、选择适当的数值计算方法以及精心选择参数，可以得到准确的模拟结果，为优化多晶硅生产提供理论指导。
第48卷第1期人工晶体学报Vol.48 No.l 2019 年1月________________________JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS_______________________January,2019基于PolySim电子级多晶硅还原炉三维数值模拟李有斌1，张胜涛2，何银凤1，梁世民1，韩金豆1，付昊2，赵丽丽2(1.青海黄河上游水电开发有限责任公司光伏产业技术分公司，西宁810000; 2.哈尔滨工业大学化学与化工学院，哈尔滨150001)摘要:利用PolySim软件建立了国内电子级多晶硅9对棒现役还原炉的三维模型，对还原炉内部的流动、传热进行 了数值模拟，得到还原炉内部流场、温场以及硅棒表面温度的分布情况，指出桂棒桥接附近气体流速较小、气体温度 及硅棒表面温度过高是该区域沉积不均勻的主要原因。
和实际生产结果对比表明，模拟计算数据的误差不超过5%。
关键词：电子级多晶硅;化学气相沉积;数值模拟;气体循环中图分类号:0482 文献标识码:A 文章编号:1000-985X( 2019) 01-0144-05 Three Dimensional Numerical Simulation of Electronic GradePolysilicon Reduction Furnace Based on PolySim SoftwareL I Y ou-bin ,Z H A N G Sheng-ta o2,H E Y in-fe n g1,LIA N G S h i-m in ,H A N J in-d o u ,F U H a o2,Z H A O L i-li(1. PV Industry Technology Branch of Qinghai Huanghe Hydropower Development Co. , Ltd, Xining 810000, China；2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)A bstract：The three-dimensional reactor model of chemical vapor deposition of polysilicon was establishedby PolySim software,and the flow and heat transfer inside the reactor were numerically simulated.The distribution of the internal flow fie ld,temperature field and silicon rod in the reactor were obtained.Furthermore,it is pointed out that there are problems such as low gas flow rate,overheated gas temperature and overheated silicon rod surface temperature near the area above the reactor,especially near the silicon pared with the actual production results,the error of the simulated data is not more than5%.Key w ords：electronic grade polysilicon；chemical vapor deposition；numerical simulation；gas flow1引言近年来，我国的电子信息技术产业发展快速，尤其是高科技领域对于电子级高纯多晶硅的需求量增长迅 速[1_2]。
一种多晶硅还原炉预加热系统的设计与实现的开题报告一、选题背景和研究意义多晶硅已经广泛应用于太阳能电池、半导体材料、光学玻璃等领域。
多晶硅生产的主要原料是二氧化硅，通过还原反应制得多晶硅。
多晶硅还原炉是多晶硅生产的关键设备之一，而预加热系统是多晶硅还原炉中的一个重要组成部分。
传统的多晶硅还原炉采用燃煤加热方式，煤气中的热能通过多晶硅还原炉前端的加热系统传递到多晶硅还原炉内部，从而使得多晶硅在还原炉内得到还原。
然而传统的多晶硅还原炉的加热过程存在很多问题，比如加热效率低，能耗高等。
因此，提高多晶硅还原炉的加热效率，降低能耗，成为了多晶硅生产厂家关注的问题。
预加热系统是多晶硅还原炉中最重要的组成部分之一，对多晶硅还原炉的加热效率起着至关重要的作用。
因此，研究和设计一种高效的多晶硅还原炉预加热系统成为了多晶硅生产中的必要研究方向。
二、研究内容和研究方法本项目研究的内容是一种多晶硅还原炉预加热系统的设计与实现。
该预加热系统具有加热效率高、能耗低等优点。
研究方法主要采用了实验研究和数值模拟的方法。
通过实验室热工试验，测试不同温度、流量等参数下的多晶硅还原炉预加热系统性能表现，并结合数值模拟分析预加热系统的各项性能指标。
三、预期目标和研究成果本项目的预期目标是设计和实现一种高效的多晶硅还原炉预加热系统，优化预加热系统的性能，并通过实验和数值模拟验证该预加热系统的可行性和可靠性。
该预加热系统能够有效提高多晶硅还原炉的加热效率，降低能耗，进而降低多晶硅生产成本，提高其市场竞争力。
本项目的主要研究成果包括：1.设计和实现一种高效的多晶硅还原炉预加热系统；2.掌握多晶硅还原炉预加热系统的性能表现及其对多晶硅还原炉加热效率的影响；3.通过实验和数值模拟，确认该预加热系统的可行性和可靠性；4.为多晶硅生产企业提供一种有效提高多晶硅生产效率、降低能耗的新技术。
一种新型多晶硅还原炉流动与传热的数值模拟黄哲庆;刘春江;袁希钢【摘要】在传统多晶硅还原炉结构基础上,提出了一种内部流场为平推式流动的新型多晶硅还原炉,并采用计算流体力学方法研究了该还原炉内的速度场和温度场.流场模拟结果表明,新型多晶硅还原炉内混合气的流动基本上实现了平推式流动；温度场模拟结果发现,通过改变操作参数,采用平推式流动可实现炉内温度场的控制,解决了传统还原炉局部温度过高的问题,可避免硅粉的产生,长期保持还原炉内壁面的抛光效果,降低还原炉辐射电耗；计算结果表明,在相同的条件下,采用新型多晶硅还原炉的还原电耗较传统还原炉可降低8.5％.%Based on the traditional polysilicon reduction furnace, a novel polysilicon reduction furnace is presented. The velocity and temperature fields are simulated by using computational fluid dynamic. The simulation result of the flow field shows that the flow pattern of the gas mixture in the novel furnace is plug flow, which is fundamentally different from that in traditional furnace. The simulation shows that the temperature field in the novel furnace can be controlled by changing the operating parameters, which solves the problem of high local temperature in traditional furnace, avoids the generation of the silicon powder and reduces the radiation power consumption. The energy consumption in the novel furnace is 8. 5% lower than that in the traditional furnace.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2013(064)002【总页数】6页(P484-489)【关键词】多晶硅;还原炉;数值模拟【作者】黄哲庆;刘春江;袁希钢【作者单位】天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072;天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072;天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TN3引言随着石化资源的枯竭，新能源的开发具有十分重要的意义，其中太阳能发电以其具有清洁性和储量丰富得到迅速发展[1－3]。
据欧洲Joint Research Centre的预测[4]，到2030年太阳能发电将在世界电力的供应中达到10%以上；2050年太阳能发电将占到20%，到21世纪末起到主导作用。
作为太阳能发电主要途径的晶硅太阳能电池占整个太阳能电池市场的90%以上[5]，其原料多晶硅近年来需求量急剧增加[6－7]。
目前国际上多晶硅生产的工艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法[8－10]。
其中改良西门子法是目前多晶硅生产的主要工艺，其生产多晶硅的量占世界多晶硅生产总量的80%[9，11]，该过程最重要的设备是多晶硅还原炉，其还原电耗超过整个多晶硅生产过程总电耗60%[12－14]。
因此，对还原炉内的流动结构进行深入的研究，进而开发低能耗的新型还原炉具有重要的学术和实用价值。
图1（a）给出了传统还原炉的结构，其原料气的进口和尾气出口均布在底盘上，这种结构要求设置进气喷嘴，另外必须控制进气流速达到足够大才能实现对还原炉顶部区域混合气的更新，该结构最大的缺点是容易造成还原炉顶部区域产生死区，由于顶部气体得不到有效更新，因此顶部区域会产生局部高温区，这种局部高温区会导致硅粉的产生，而硅粉很容易附着到还原炉内壁面，降低还原炉内壁热辐射反射率，最终导致还原电耗增加。
针对这一不足，本文提出一种内部流场为平推式流动的新型还原炉[图1（b）]，这种新型结构可以通过改变操作参数来实现炉内温度的控制，解决传统还原炉内局部温度高的问题，避免了还原炉内产生硅粉，初步解决了还原电耗过高的问题。
图1 还原炉结构Fig.1 Structure of furnace1 数学模型1.1 物理模型针对传统结构和平推式流动结构，建立了相应的物理模型，具体的尺寸和结构参数见图1和表1。
其中坐标系选用直角坐标系，其坐标原点位于还原炉底盘正中心。
新型还原炉底盘电极分3个圆周排布，每一圆周上的硅棒都呈正六边形排布，从中心向外依次有3对、3对、6对均匀分布的电极；新型还原炉底盘每相邻两个电极之间最大间距为220mm；每相邻三对硅棒都构成一个正六边形，每一正六边形的中心分布着一个进气口，其进气口总数为13个。
表1 还原炉的结构参数TabIe 1 Parameters of reduction furnacesParameter Novel furnace Traditional furnace H／mm 2800 2800 D／mm 1600 1600 h ／mm 2300 2300 di／mm 30 20 do／mm 30 1001.2 控制方程（1）连续性方程（2）动量方程（3）湍流方程湍流模型选用标准k－ε模型。
（4）能量方程其中，Sh＝▽g[I（r，s），s]，它的物理意义是s方向上单位距离辐射强度的增量。
（5）辐射传热方程（6）计算边界条件和物性参数壁面流动边界条件：无滑脱流动壁面热边界条件壁面辐射边界条件进口边界条件混合气体辐射的吸收系数a＝0.05[15]。
出口边界条件：假设出口流动是完全发展混合气体的密度：假设混合气为理想气体混合气体的比热容[16]其中，氢气的比热容cp＝13749＋2.97T－3.84×10－3 T2＋2.09×10－6 T3；三氯硅烷的比热容cp＝287.3＋1.21T－1.12×10－3 T2＋3.65×10－7 T3。
混合气体的黏度[16]其中，氢气的黏度μ＝3.08×10－6＋2.04×10－8 T－2.88×10－12 T2；三氯氢硅的黏度μ＝4.88×10－7＋3.78×10－8 T－3×10－12 T2。
混合气体的热导率[16]其中，氢气的热导率λ＝0.03754＋4.64×10－4 T－6.72×10－8 T2；三氯氢硅的热导率λ＝－6.78×10－3＋5.1×10－5 T－8.74×10－9 T2。
固体材料物性参数见表2。
表2 固体材料物性参数TabIe 2 Properties of soIid materiaIsMaterial reactor 0.2[17]Wall Emissivity stainsteel rods 0.7[18] polysilicon（7）计算方法和网格采用gambit2.4.6作为几何建模和网格划分工具，网格类型是非结构四面体网格。
控制方程的求解采用基于有限体积法的Fluent软件包建立过程模型并对流动和传热过程进行计算，运行环境为Linux系统，采用压力和速度耦合求解器，压力和速度耦合采用SIMPLE方法。
2 结果与讨论2.1 模型的验证图2比较了传统12对棒还原炉的工业实验（进气和尾气的温度）和数值模拟结果。
其中硅棒最初的直径为10mm，经过120h的沉积反应，最后直径增长为125mm。
假设整个沉积过程硅棒的生长速率是均匀的，因此可以估算硅棒的生长速率为8μm·min－1。
根据此生长速率，可以得到20、40、60、80、100、120h下的硅棒直径分别为29.2、48.4、67.6、86.8、106、125.2mm。
对于不同硅棒直径下的物理模型，硅棒表面的面网格大小都为10mm，其靠近硅棒表面的边界层网格的厚度都为10mm，其体网格大小都为20mm的四面体网格。
实验中，其进气口和出气口温度测量位置位于与进气口相连的总进气管上和与出气口相连的出气管上；测量方法都采用耐腐热电偶（WRPF－430G）；其测量精度为±0.5%t（t为测量温度）。
从实验和模拟结果可知，实验和模拟的结果平均相对偏差为3.5%，这表明物理模型的选取、简化及数值方法是可行的。
图2 还原炉的进气口和出气口温度Fig.2 Inlet and outlet temperature of reduction furnace2.2 流场分析与比较图3 两种还原炉在x＝0的速度矢量图Fig.3 Velocity vector along x＝0plane in two furnaces／m·s－1图3（a）、（b）分别给出了t＝100h下两种不同还原炉在x＝0平面的速度矢量图。
比较两种不同还原炉流场模拟结果可以发现：在新型多晶硅还原炉内，混合气基本上都是沿着硅棒表面向上流动，这是由于越靠近硅棒表面，其温度越高，而密度越低；另外在还原炉轴向方向上也存在温度差，这一温度差也使得反应器在轴向上产生密度差，图4（a）给出了新型多晶硅还原炉在x＝0平面的密度分布云图，这种密度差促使混合气从底盘进气口向顶盘出气口的平推式流动。
然而传统多晶硅还原炉的原料气进口和尾气出口均布在底盘，这种结构要求设置进气喷嘴，另外必须控制进气流速达到足够大才能实现对还原炉顶部区域混合气的更新，因此还原炉内的流动基本上为全混流，是强制对流的流动，其轴向和径向方向上的密度差反而阻碍了混合气向底盘的出气口流动。
图4（b）给出了传统多晶硅还原炉在x＝0平面的密度分布云图，由于流动方式的不同，使得传统还原炉内的密度分布较新型还原炉更均匀。
另外从图3（b）还可以发现，传统还原炉的进出气方式还容易引起原料气走短路，使得原料气未充分反应就直接从出气口排出，造成原料气的浪费，影响多晶硅的沉积速率。
2.3 温度分析与比较图4 两种还原炉在x＝0的密度分布云图Fig.4 Density contours along x＝0 plane in two furnaces／kg·m－3图5 两种还原炉在x＝0的温度场分布云图Fig.5 Temperature contours along x＝0 plane in two furnaces／K图6 两种还原炉的温度场分布云图Fig.6 Temperature contours in two furnaces／K图5（a）、（b）分别给出了t＝100h下两种不同还原炉在x＝0平面的温度场分布云图。
