仿真计算磁流体动力学（精选3篇）
仿真计算磁流体动力学 篇1
摘要：高炉炼铁过程是我国冶金工业中的重要组成部分, 在炼铁过程中包括了多种物理变化与化学反应, 并且在高炉炼铁过程中多种物质不断相互作用, 所以高炉被化工领域称作是最复杂的反应器之一。当前高炉内部现象的控制研究工作对优化高炉炼铁工艺具有重要意义, 因此引起了众多专家的关注。然而随着高炉规模的逐渐扩大, 内部的动态难以掌握, 不能为专业人员提供相关信息。该文通过计算流体力学角度来解析高炉炼铁过程, 提出对我国现阶段高炉炼铁建模仿真框架, 对数据可视化处理, 还原高炉内部状况。
关键词：高炉炼铁,控制研究,计算流体力学,建模仿真
随着社会的发展, 钢铁行业的竞争也愈来愈明显, 许多欧洲国家开始自上而下地产业结构调整, 纷纷淘汰落后的工艺与系统, 试图最大范围地降低冶炼成本, 提升企业竞争力。从二十世纪七十年代以来, 许多欧洲国家纷纷建设起两千立方米以上的炼铁高炉, 我国也开始调整钢铁产业的发展政策, 认为应当淘汰1000立方米以下的高炉, 钢铁产业新建的高炉必须是大高炉。随着高炉内部的传感器的发展与应用, 让我们在对高炉正确使用过程中可以了解到内部的动态特性[1]。然而由于冶炼过程中, 高炉内部具有过高的温度, 因此传感器难以有效发挥出自身的效果, 因此需要我们进行建模对其状态进行研究
1 高炉过程的建模理论
1.1 炼铁过程概述
高炉炼铁过程包括了传热、传质以及化学反应等多种变化与过程, 涉及到热力学、化学、物理、传质等专业理论。高炉炼铁是将开采的铁矿石还原为生铁的过程, 人们将铁矿石、焦炭等资源按照科学配比后从高炉顶端的装置送到高炉内部, 高炉中的矿石与焦炭会出现分层的结构变化。然后铁矿石会在下降过程中逐渐产生化学反应被还原为铁与废弃物质, 最终聚集在高炉底部, 分别从铁口与渣口运送出来[2]。 (如图1)
从实质上来分析高炉冶炼过程就是在一定条件与环境下, 将铁从矿石原料中提炼出来, 这种冶炼技术是从古人发明的方法中总结与改进的, 具有生产量大与便捷的特点, 是当前钢铁行业最主要的冶炼方法, 每年生产量占全世界生产总数的95%以上。
1.2 矿石还原反应模型
我们冶炼的高炉从根本上来说是一种特殊的化学反应容器, 冶炼的核心就是让化学反应顺利发生。一般产生的化学反应分成三种:物质还原反应、C气化反应与水煤气变换反应, 对于模型仿真中的化学反应我们将计算过程主要集中在物质计算化学的反应速率方面。为了能够研究出矿石中铁元素的还原原理, 我们可以通过三界面未反应核模型理论进行冶炼过程[5]。 (如图2)
这个原理是在还原反应中进行的, 随着化学反应的逐渐深入, 铁元素没有反应的部分会朝着核中心缩小, 在最后形成了不会反应的核心。根据氧化铁逐层反应的特征, 我们可以看到一个矿石球在反应到一定程度后就会逐渐变为明显的三个界面, 分成四层, 分别为Fe-Fe O-Fe3O4-Fe2O3。而在这个核心最外层就是化学反应之后的最后产物, 具有多孔的Fe层物质。
我们可以将还原过程分成下面的环节:将还原的气体扩散、对内扩散、吸入、进行化学反应、氧化后气体吸收分解、对内扩散、外扩散等, 而整个过程中最慢的环节会决定所有化学反应中的速率, 也就是我们所说的速度控制步骤:矿石周围气体层的扩散运动、内部多孔产物的扩散作用与表层化学反应过程。
1.3 化学反应模型的实现
我们要想在冶炼中获得效果较好的化学反应, 就需要解决许多问题, 比如高炉中的化学反应模型并不是独立的, 而是会受到高炉内部许多因素的影响, 比如物质密度、温度、速率等方面, 而我们如果控制好, 就可以反过来影响这些因素。并且我们为了让高炉模型收敛, 就需要认识到不同反应是在哪种情况下放生的。
当内部温度低于848℃后, Fe3O4会被内部的氢气或者一氧化碳分解还原为铁;当内部高于848℃后, 就会经过变化为Fe O的过程。当Fe O在冶炼过程中的还原几率小于1的时候, 就会进行界面反应;反之, 就会进行二界面反应。
1.4 高炉过程的多相流关系
在近几年, 我国高炉炼铁在测量方式、技术等方面得到了巨大的概述, 所以需要构建多相态的数学模型才可以更加有效地了解到高炉内部的情况。由于内部流动现象复杂多变, 一般人们会分成软熔带、回旋区与死区来代表不同区域的变化, 让高炉的变化过程容易理解起来。然而在冶炼过程中的一些变化就会引起整个过程的结果变化, 所以需要进行整体的多相流分析。一般炼铁分成了四种相态, 固态、液态、粉态与气态。而根据四种相态要根据边界条件来合理约束闭合模型, 把握好各个相态之间的耦合关系, 进而顺利地实现的化学反应, 为高炉模型的仿真打下稳固的基础。
1.5 相态间的动量传递
高炉内部, 焦炭与矿石运送到高炉内不, 会形成交替的层结构, 而气流通过填料床内部, 会受到不同方向的曳力。高炉内部的矿石与焦炭形成的颗粒大小不同, 因此产生的曳力也不同。而在高炉下不, 残渣液体会随着温度升高而落下, 这样上升的煤气流会与残渣液体出现明显的耦合作用, 产生了液态与气态的动量交换。
2 高炉模型的仿真过程
当气体从鼓风口进来之后, 气体会受到高炉内软熔带的影响而移至高炉内部中轴线的方向, 导致中部出现了气流背离炉壁的现象。而受到炉内倾斜的状态与气体中较大的固体颗粒会导致孔隙度增大, 让中轴线地方的气流较强。 (如图3)
如图4所示, 炉内三个界面的各个反应率不同, 随着内部固体的下降, 逐渐会吸收到来自高炉气体的温度, 会与还原性的气体相接触, 接着产生了还原反应。
当固体从顶部进入到炉内, 随着高炉内部的半径逐渐增加, 因而固体的速度也会慢下来。在靠近高炉的出口处, 逐渐会增加速度。由于冶炼的高炉内部与死区表面会有相互作用力, 因此在出口处, 固体的方向会指向出口。图5表示为程序循环的100次、200次与500次, 即最终稳态固体的速度矢量的结构[4]。我们在实际测量速度的时候会采用TDMA的方式, 而数据从边界会传递到内部, 这导致顶端的速度变化程度较为剧烈。
由于固体在向下运动的时候会不断吸收气体中的热量, 所以会导致温度升高, 产生一系列化学物理变化。由于我们在参数设置方面会与实际设置有一些差别, 因此对于更精确的数值还需要给模型框架更准确的初值才可以计算出来。
3 结束语
该文通过计算流体力学的理论来分析高炉炼铁过程, 通过质量、动量、能量过程分析, 考虑到实际高炉内部产生的物理与化学变化, 对高炉炼铁过程建模仿真框架构建。这种方法能够成功地预测出高炉炼铁内部的化学反应状况与运动过程, 并研究出一些操作变量对整个高炉情况的影响, 能够客观科学地反映出实际工作情况, 对我国高炉自动化实现打下了良好的基础。
参考文献
[1]高可政, 马忠亮, 萧忠良.变燃速发射药芯料体积流率波动值的数值模拟[J].火炸药学报, 2010 (1) .
[2]薛文良, 魏孟媛, 陈革, 程隆棣.喷气织机主喷嘴内部流场的数值计算[J].纺织学报, 2010 (4) .
[3]邹惠芬, 张培红, 叶盛.流体力学多媒体教学的探讨[J].沈阳建筑大学学报:社会科学版, 2008 (4) .
[4]韩向科, 钱若军.流体力学基本理论研究综述[J].空间结构, 2008 (3) .
[5]杨树人, 王春生, 杨英.黏弹性流体在内管做轴向运动的偏心环空中的速度分布[J].大庆石油学院学报, 2005 (1) .
[6]肖进新, 田翼, 顾永涛, 罗妙宣.应用减压型毛细管粘度计研究表面活性剂溶液的流变性质[J].实验室研究与探索, 2000 (1) .
[7]韩式方.非牛顿钻井流体流动计算机智能解析方法[J].西南石油学院学报, 2001 (4) .
[8]白鹏, 钱庆利, 王红星, 袁绍军.水蒸气精馏流体力学和传质的实验研究[C]//第三届全国传质与分离工程学术会议论文集, 2002.
磁流体力学之父——阿尔文 篇2
1 阿尔文生平及其主要学术贡献
阿尔文于1908年5月30日出生于瑞典Norrkoping, 年轻时的阿尔文就已经表现出了对天文学和天体物理学的浓厚兴趣.作为阿尔文最亲密的合作者Carl-Gunne Falthammar曾经说起有两件事情深深影响了阿尔文早期的智力发展和最终的科学生涯[1].第一件是弗拉马里翁 (Camille Flammarion) 的《大众天文学》激起了阿尔文对天文学和天体物理学的兴趣.第二件是阿尔文中学时代在学校的无线电俱乐部十分活跃, 他曾经制造了若干无线电接收器.由此可见阿尔文在电磁学上的天赋在中学时代就已经崭露头角.
Falthammar这样评价阿尔文, “作为一个科学家, 阿尔文倾向于从电磁学角度分析天体物理问题, 这的确是富有成效的方法”.阿尔文一生的主要贡献集中在行星际与磁层物理、磁流体力学、宇宙学等领域.
在阿尔文的早期学术生涯中 (1931∼1941年) , 阿尔文围绕银河系内行星际空间宇宙射线的计量与起源做了大量研究.为了处理带电粒子在电磁场中的复杂运动, 阿尔文首先提出带电粒子引导中心的概念, 为解释宇宙射线, 基于引导中心的概念他提出, 银河系可能存在一大尺度的磁场, 磁场俘获带电的宇宙射线粒子, 使得它们在近似为圆的轨道上运动.即使只有小部分的电离气体存在, 它在磁场中产生的电流足以产生星际磁场.因此, 弱磁场必定充满整个银河系.正是星际的电磁场支配着地球附近发生的现象, 辐射带极光、磁暴及彗尾都因此得到了完美的解释[2,3].然而当时科学界的主流认为星际空间除了“真空”, 什么都不存在, 更不要说磁场了.阿尔文也因此一直得不到科学界的足够重视, 可他从没有放弃, 一直在坚持, 直到1974年人造地球卫星首次观测到星际磁场和地球磁层电流后阿尔文的想法才得到证实.1934年, 阿尔文获得乌普萨拉大学博士学位, 博士学位论文题为“Investigations of the Ultra-short Electromagnetic Waves”, 同年他被任命为乌普萨拉大学物理学讲师.
阿尔文一生中许多最重要的贡献是在他的黄金时期20世纪40∼50年代完成的, 其中阿尔文波的发现开创了磁流体力学的新领域, 堪称科学史上的佳话.阿尔文有着天才般的直觉和敏锐的洞察力, 善于从复杂具体问题中挖掘主要矛盾.阿尔文首先注意到, 当导电流体在磁场中运动时, 会产生感应电流, 感应电流又与磁场反作用于导电流体, 这构成了磁流体力学的基本思想.1942年, 为了解释太阳黑子他首次提出了冻结效应并预言了磁力线与导电流体的耦合将产生一种新的波——阿尔文波[4,5].阿尔文波是存在磁场时导电流体中所特有的一种波动.这种波类似在绷紧的弦中传播的横波, 沿着磁力线方向传播.更准确地说, 阿尔文所预言的这种波是剪切阿尔文波.众所周知根据麦克斯韦的电磁理论, 电磁波在导体中无法传播, 只能渗透导体表面一个原子尺度的量级.当阿尔文提出在导电的等离子体中存在能传播的阿尔文波后, 科学界普遍持怀疑态度.
1948年阿尔文第一次前往美国, 受芝加哥大学邀请做了几场磁流体力学的演讲, 芝加哥大学教授著名物理学家费米 (Enrico Fermi) 在了解阿尔文的工作后, 情况才出现了转机[2].前美国Geophysical Research Letters杂志编辑亚利桑那大学 (University of Arizona) 教授Alex Dessler这样调侃道, 当阿尔文演讲完毕后, 费米点了点头说:“噢, 这种波当然存在”.第二天整个物理学界都说:“噢, 那当然”.之后各种各样的等离子体波才相继被发现.在实验室环境中, 阿尔文波的观测实验最先是阿尔文的学生Lundquist在金属导电流体水银里实现的[6,7].
1942年在阿尔文波提出后, 宇宙学渐渐吸引了阿尔文的兴趣.阿尔文初步提出了太阳系行星形成理论[8].他认为太阳系内的天体都是由一个高度电离的气体云形成的.太阳一形成就有很强的磁场, 其周围的高温电离气体云因冷却而还原成中性态, 并因太阳的引力而下落.当下落的动能超过电离能时, 由于碰撞而再度电离, 并在离太阳一定距离处停止下落.根据各元素的电离电势, 阿尔文算出在离太阳不同距离处先后形成大小不等的4个物质云.太阳系中的行星、卫星都分别由这4个云中的物质凝聚而成.阿尔文的理论成功解释了引力理论所不能解释的为什么太阳系的角动量聚集在行星而不是太阳.虽然目前主流的太阳系形成理论认为相比引力而言, 磁流体力学过程起着非常小的作用, 但是阿尔文的思想对于我们进一步认识太阳系的起源无疑具有十分重要的启发作用.
1950年, 阿尔文总结近20年的磁流体力学研究工作, 出版了《宇宙电动力学》 (Cosmical Electrodynamics) , 该书是现代等离子体物理学的经典著作, 它的出版标志着磁流体力学真正成为现代物理学的一个重要分支, 阿尔文也以“磁流体力学之父”而享誉世界.如今“磁流体力学”已经普遍应用于热核聚变等离子体、实验室等离子体、空间等离子体以及天体物理等离子体中, 成为等离子体物理学的一个重要分支.同年, 阿尔文和同事Herlofson首先指出许多来自宇宙的非热辐射是高能相对论性电子在磁场中运动产生的同步辐射[9], 这又是阿尔文的另一个重要贡献.50年代期间, 阿尔文在推广磁流体力学在宇宙射线、极光、太阳磁场等领域的应用做了大量的完善与总结工作[10,11,12], 为磁流体力学的发展与应用做出了许多卓有成效的贡献, 是当之无愧的“磁流体力学之父”.
自20世纪40年代起太阳系起源逐渐吸引了阿尔文的兴趣, 60年代后阿尔文的主要研究领域已经基本集中在宇宙学与太阳系起源等问题上.阿尔文致力于从基本的物理学规律出发研究问题, 倾向于从电磁角度分析天体物理问题, 对于太阳系的起源同样如此.阿尔文曾公开反对宇宙大爆炸理论, 他明确表示:“等离子体知识对于我们理解太阳系的起源与演化也是很重要的, 因为我们有充分理由相信, 现在构成天体的物质曾经是以等离子体状态分布着的.”在研究太阳系起源与演化问题中阿尔文秉承对称性的基本原理, 从宇宙的正物质与反物质量相等出发构建他的宇宙体系.1966年出版的《世界与反世界:宇宙中的反物质》 (Worlds-Antiworlds:Antimatter in Cosmology) 一书集中体现了他对物理学美感的执着追求.与Arrhenius合著有一系列关于太阳系起源的论文, 1975年出版了《太阳系结构与演化史》 (Structure and Evolutionary History of the Solar System) 一书, 是其多年研究成果的总结.
阿尔文是一位向往和平的科学家.最初, 他支持开发原子能, 为人类造福, 但后来他逐渐认为, 不仅是核武器, 就是“和平”利用原子能都是不可接受的, 此后, 他一直参加反核武器运动.他曾经建议瑞典政府永远不要使用当时正在建造的核反应堆, 而用传统燃料驱动那座核反应堆的涡轮机.在同瑞典政府发生多次意见分歧后, 1967年阿尔文做出了艰难的决定, 选择了离开.他如是写到, “My work is no longer desired in this country”.他马上收到了前苏联和美国抛来的橄榄枝, 在前苏联渡过两个月后, 他最后来到了美国, 任职于加州大学圣第亚哥分校和南加州大学.随后他对自己心爱的祖国做出了妥协, 每年仍定期回斯德哥尔摩的皇家工程学院进行研究工作.
1995年4月2日, 阿尔文于斯德哥尔摩逝世, 享年86岁, 长眠于他深深热爱的祖国.为了纪念阿尔文的杰出贡献, 第1778号小行星被命名为“阿尔文”.
2 阿尔文留给后人的启示
阿尔文的一生, 曲折中充满辉煌, 平淡中充满传奇.可以说在1970年获得诺贝尔物理学奖之前, 虽然科学界同行普遍引用其工作, 于阿尔文本人却鲜有认识.这其中的原因值得我们深思.在阿尔文的早期学术生涯中, 由于阿尔文思想超前, 他的许多观点都被主流科学界所排斥, 使得他的许多重要贡献不得不发表在非主流杂志上.比如他和当时的地球物理学界权威Chapman之间关于地球极光和磁暴的形成的争论, 使得他长期得不到重视.难能可贵的是, 即使如此, 阿尔文初心不改、持之以恒, 以他的行动捍卫着真理之光.直到Chapman逝世4年后的1974年, 人造地球卫星才观测到地球磁场中向下运动的电流, 最终证实了阿尔文的观点.
阿尔文毕生都保持着对等离子体物理学的浓厚兴趣, 有着深刻的洞察力和敏锐的物理直觉, 而且始终坚持从物理学基本原理出发研究问题, 阿尔文本人将他的这种科学品质归因于童年时代的经历.在科学研究中物理直觉也许不是最重要的, 但绝对不可缺少.正是这种敏锐直觉引导阿尔文发现了磁流体力学波, 开创了磁流体力学的新领域.然而在提出阿尔文波后的近十年中, 阿尔文却饱受来自科学界的各种压力, 有人甚至写信嘲讽.直到物理学界的权威费米在了解阿尔文的工作后, 同行们才开始重视阿尔文的发现.对于科学界的同行评审制度, 无疑阿尔文是受害者之一, 其中的弊利可见一斑.
功夫不负有心人, 阿尔文晚年时得到了科学界的极大肯定和无数荣誉, 包括英国皇家天文学会金质奖章 (1967) 、诺贝尔物理学奖 (1970) 、美国富兰克林研究所富兰克林奖章 (1971) 、前苏联科学院罗蒙诺索夫奖章 (1971) .他还是欧洲物理学会、瑞典皇家科学院、美国艺术与科学学院、前苏联国家科学院、美国国家科学院会员.
成名之后阿尔文并没有离开学术, 一直致力于从磁流体力学角度出发发展他早期的太阳系演化理论, 虽然主流天文学界认为磁流体力学过程在大尺度的宇宙演化问题上是不重要的, 他仍孤军奋战, 同其合作者完成了长篇巨著《太阳系的结构和演化史》, 为我们提供了一幅独特的物理图景, 也许在不远的将来, 科学的发展将证明阿尔文的视角是正确的.
同其他科学大师一样, 阿尔文的一生生活在争论中.阿尔文的生活并没有受到影响, 他拥有一个温馨的大家庭;阿尔文性格幽默、兴趣广泛、如同他在科学界中的创新一般充满活力、热爱旅游与冒险;他还广泛涉猎科学史、东方哲学、宗教等领域, 并且通晓瑞典语、英语、德语、法语、俄语, 还会讲一些西班牙语和汉语.科学不仅是一门学问, 也应该是一种生活, 或许真正的生活才是真正的科学研究.正如T.G.Cowling在《宇宙电动力学》出版之际所评价的那样“阿尔文是斯德哥尔摩的电气工程师”, 真实写照了阿尔文辉煌的一生.
摘要：阿尔文以他深刻的洞察力和敏锐的物理直觉改变了我们对宇宙的传统看法, 他一系列开创性的工作使得磁流体力学真正成为现代物理学的一个重要分支.简单介绍了阿尔文的主要学术成就以及学术遭遇, 并对其辉煌成就、学术遭遇背后可能的原因做了简要分析.
关键词：等离子体物理学,磁流体力学,阿尔文
参考文献
[1] Falthammar CG.The discovery of magnetohydrodanamic waves.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2007, 69 (14) :1604-1608
[2] Alfv′en H.Origin of cosmic radiation.Nature, 1933, 131 (3313) :619-620
[3] Alfv′en H.On the motion of cosmic rays in interstellar.Physical Review, 1939, 55 (5) :425-429
[4] Alfv′en H.Existence of electromagnetic–hydrodynamic waves.Nature, 1942, 150 (3805) :405-406
[5] Alfv′en H.On the existence of electromagnetic–hydrodynamic waves.Arkiv for Matematik Astromoni och Fysik, 1942, 29B (2) :1-7
[6] Lundquist S.Experimental demonstration of magnetohydrodynamic waves.Nature, 1949, 164 (4160) :145-146
[7] Lundquist S.Experimental investigations of magnetohydrodynamic waves.Physical Review, 1949, 76 (12) :1805-1809
[8] Alfv′en H.On the cosmogony of the solar system.Stockholms Observatoriums Annaler, 1942, 14 (2) :1-33
[9] Alfv′en H, Herlofson N.Cosmic radiation and radio stars.Physical Review, 1950, 78 (5) :616
[10] Alfv′en H.Discussion of the origin of the terrestrial and solar magnetic fields.Tellus, 1950, 2 (2) :74-82
[11] Alfv′en H, Martyn DF.The theory of magnetic stroms and aurorae.Nature, 1951, 167 (4259) :984-985
仿真计算磁流体动力学 篇3
1 建模
非接触式承片台一般都采用伯努利原理来实现,对于理想不可压缩的流体,存在以下方程:
式中:ρ-流体的密度;υ-流体的速度;g-重力加速度;h-流体处于的高度;p-流体所受的压强。
常温常压下的空气可视为理想不可压缩气体,并忽略空气的重力,则上式可简化为
上式左侧两项分别称为动压和静压,即沿流线运动的理想气体的动压和静压的总和为常数。
本文所述的非接触式承片台可用于放置12英寸的晶圆,其外径尺寸为340mm,其结构如图1所示。
该承片台具有一个进气口,直径为8mm,布置在承片台下部,采用中空轴电机供气。承片台腔体内部共有6个出气口,呈圆周均匀排布,直径为3mm,通过内部管路将气体由底部送入腔体内部。顶端面上圆周均布4个圆柱销,防止晶圆的径向移动。当晶圆放置在承片台上时,气流在承片台和晶圆所形成的空腔内部高速旋转,腔内空气动压增大,静压减少,最终气体通过晶圆与承片台之间的间隙排出。因为晶圆下表面的静压小于上表面的静压,这样就实现了将晶圆非接触式地压在承片台上方的目的。
2 划分网格
模型网格的划分是流体动力学分析中十分重要的一步,因为网格质量直接关系到计算结果的准确性和收敛性。网格的划分可分为结构网格和非结构网格两种。结构化网格是指网格区域内所有的内部节点都具有相同的毗邻单元,即与网格区域内的不同节点相连的单元数目都相同[2]。它的主要优点有:(1)可以很容易地实现区域的边界拟合,适于流体和表面应力集中等方面的计算;(2)网格生成的速度快;(3)网格生成的质量好,数量少;(4)数据结构简单,计算收敛速度快;(5)对曲面或空间的拟合大多数采用参数化或样条插值的方法得到,区域光滑,与实际的模型更容易接近。但它相应的缺点就是对复杂模型的划分比较困难。所以很多人为了方便直接采用四面体单元自动划分,但在处理壁面附近层时,四面体单元会在某一方向上被拉长,导致网格质量变差,方程不易收敛,为了提高网格质量,只能使用更小尺寸的四面体网格,但这将会带来单元数目呈几何倍数的增长,增加了计算时间。因此建立六面体网格会明显地提高计算的收敛速度和准确性。在此对模型进行结构化网格划分。
为了进一步减少网格数量,节省计算时间,这里使用ANSYS ICEM模块对模型的一半进行网格划分。步骤如下:首先建立一个Block并将它映射到上部的半圆柱上,然后进行O-grid的划分。使用Extrude Face命令将划分好O-grid的中心面向下拉伸出一个新的Block,并将新的Block映射到下部的圆柱面上。对新Block进行O-grid划分,这就完成了主体部分的结构网格划分,因为入口处管路直径很小只有3mm,所以此处网格需要更细致的划分。用Split Block命令将入口管路附近处的Block切割出一个和管口大小相近的小Block,再次使用Extrude Face命令将小Block的面向外拉伸出一新Block。将此Block映射到入口管路上,调整Vertex点位置,再进行O-grid划分,即完成了入口处的网格划分,如图2所示。用同样的方法完成其他两处入口网格,并对壁面处网格进行了加密处理。最终完成网格划分,如图3所示。
3 仿真结果分析
对划分网格的模型设定相关边界条件以后就可以进行仿真计算了。网格模型的入口是物理模型的出口,即6个直径为3mm的管路,相对压力0.2MPa,晶圆与承片台之间的间隙即为出口,相对压力0MPa。其它壁面均设置成No slip wall。最终计算晶圆下表面压力云图如图4所示。
由图4可以看出,晶圆的边缘处,也就是气体的出口部分相对压强为正,而在腔体内部的部分相对压强为负,整个表面压强呈梯度分布,越靠近中心负压值越大,最大相对负压约为-86Pa,将负压值乘以相应区域的面积并求和,即可得到晶圆上表面所受到的压力值。
通过调整出口间隙值、腔体直径、腔体深度等参数,重新建立模型并求解,最终可得到一组较优的参数值,使在进气流量相同的情况下,晶圆获得最大的下压力。此时出口间隙为2mm,腔体直径为280mm,腔体深度为22mm。
4 实验验证
为了验证仿真结果的准确性,将对实际生产出的承片台进行试验验证,实验环境如图5所示。
实验仪器:数显吊钩秤,量程2kg,精度1g。
实验方法:(1)用细线
将晶圆吊在数显吊钩秤的正下方,注意保持晶圆的水平,不要偏斜;(2)将晶圆放置在承片台上并打开进气开关,仔细调整压力阀使进气压力达到0.2MPa,此时晶圆被吸附在承片台上方;(3)手提着数显吊钩秤缓慢提起,直到晶圆在向上拉力作用下完全脱离承片台,记录显示屏上出现过的最大拉力值。向上提起过程中要注意保持数显吊钩秤的垂直。
因为检测方法比较简单,为减少人为误差共检测3次并取其平均值,数值见表1。
由竖直方向力的平衡可知,数显吊钩秤的最大拉力等于晶圆的重力和承片台的吸附力之和。已知晶圆自重为126g,可得吸附力为405.3-126=279.3g=2.74N。由仿真结果计算出的吸附力约为3.44N,仿真值比实际值大了25.5%。分析误差主要是由人为的读数误差、晶圆抬起过程中的偏心受力和进气口的压力误差等引起的。实际吸附力值达到了晶圆自重的2倍以上,可以满足使用要求。
5 结论
(1)通过仿真结果的压强云图可以发现,承片台中心区域为负压,最小值为-86Pa,可以使晶圆有效地被夹持,同时晶圆的边缘为正压,可以有效地阻止外部杂质进入,从而保证了晶圆的背面不被污染。仿真结果与实验结果相比较为接近,与传统设计方法相比提高了设计效率,降低了生产成本,最终产品达到了预期的效果。
(2)ANSYS中ICEM模块强大的六面体网格编辑功能,可使模型网格达到更高的质量,让仿真结果更加接近真实值,提高准确度。
摘要：介绍了一种伯努利原理非接触式承片台设计的新方法,即使用流体动力学软件对承片台的结构和性能进行分析,并详细叙述了承片台结构网格的划分方法。根据仿真结果对其结构进行改进设计,设计产品最终达到了良好的使用效果。
关键词：CFD技术,伯努利承片台,设计方法
参考文献
[1]王福军.计算流体力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004.
[2]万映娟.离心泵叶轮内流场的数值模拟[D].成都:西华大学,2008.
[3]徐蕾,罗会信.基于ANSYS ICEM CFD和CFX数值仿真技术[J].机械工程师,2008(12):65-66.