大型多晶硅还原炉的温度场模拟

射传热的方式持续地提供[2]。虽然其中反应域的物理化学反应涉 及到能量的吸收和产生、反应域的辐射介质的辐射率以及对固体 域壁面的影响（主要为附着物对辐射率的影响）。其不属于项目研 究范围之内，不予列为研究因素。
多晶硅还原炉的能量流程，如图 3 所示。能量又电极传导硅 棒发热，以混合气体为介质，进行辐射传热，提供反应域的温度环 境开始。经历由辐射、对流方式传递给内夹层固体壁面和底盘固 体壁面，固体壁面通过热传导传递给与壁面循环冷却系统的交接 面，循环冷却系统通过不同流量的对流换热控制炉壁和底盘的环 境温度，余下部分传递给外夹层交接面和底盘的交接面，最后传 导给保温层，以其通过与大气的对流换热完成能量传递过程。
图 1 整体装配模型
1.2 多晶硅还原炉的几何建模与网格离散
图 3 传热流程示意图
采用 UGS NX4 作为几何建模工具，分别对四个固体域和三 2.2 多晶硅还原炉传热过程的物理模型确定
个流体域分别进行建立三维片体模型。
合理的选择辐射模型是研究辐射传热中需要解决的关键问
利用 ANSYS ICEM 作为网格划分工具，分别导入进行划分计 题之一，选用 DT（Discrete Transfer）离散传播辐射模型。其主要思
第4期
机械设计与制造
2009 年 4 月
Machinery Design ＆ Manufacture
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文章编号：1001-3997（2009）04-0095-03
大型多晶硅还原炉的温度场模拟 *
管 俭 1 赖喜德 1 刘东旗 2 王建录 2 （1 西华大学 能源与环境学院，成都 610039）（2 东方汽轮机有限公司，德阳 618201）
中图分类号：TH16，O736 文献标识码：A
多晶硅是集成电路和光伏发电用关键原材料，是《国家中长 杂性和多系统耦合传热，同时针对复杂的辐射传热方式，实验测
期科学和技术发展规划纲要》制造业领域基础原材料优先主题的 取其各系统的温度参数难度相当大，以致对多晶硅还原炉其内部
重要内容。根据多晶硅生长过程的还原工艺条件，优化设计还原 各系统的温度分布规律很难充分了解。
The temperature simulation in large-scale polycrystalline silicon furnace
GUAN Jian1，LAI Xi-de1，LIU Dong-qi2，WANG Jian-lu2 （1School of Energy and Environment，Xihua University，Chengdu 610039，China）
多晶硅还原炉的温度温度场分布是指导其优化设计的重要 计，避免繁琐的模型试验，降低设计研发成本。同时也为下一步的
参考之一。然而工作环境的高温高压，所以对其结构的合理设计、 “热－结构”应力与变形等进行多工况的分析计算提供相关依据和
材料的选择以及能源经济性都要有相应的考虑。同时其结构的复 参考。
＊来稿日期：2008-06-16 ＊基金项目：四川省教育厅自然科学基金重点项目（07ZA116），四川省科技支撑计划重点攻关项目（2008GZ0072）
250 万。各域网格数值质量均在 0.25 以上。网格质量较好。
假设散射是各向同性的对辐射传热方程简化得：
如图 2 所示，为气体辐射域与内夹层固体域之间的交接面网 格。由于螺旋流道的影响，固体域网格有部分集中。
dI（vdr軆s，s軆）=-（Kav+Ks）v I（v r軆，s軆）+KaI（b v，T）
图 5 考察部分温度曲线示意图
图 4 湍流模型试验对比图
3 数值模拟计算方法
两个循环冷却系统由图 5 数据，其出口温度变化比较均匀， 满足在该压力范围内不被气化。
数值模拟是基于ANSYS CFX 数值仿真平台，其是在保证了
有限体积法守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性，
模拟采用基于有限元的有限体积法离散方程组。为减少数值扩
与变形等进行多工况的分析计算，提高其自主设计的多晶硅还原
以某公司 500t 多晶硅还原炉为原型，建立实时特性仿真平
炉的结构可靠性及运行过程中的最佳冷却水量控制，为该产品进 台。通过对多晶还原炉的全三维温度场模拟分析，深入了解其复
行国产化过程中的创新设计奠定基础。
杂的内部温度分布，预测性能，指导辐射域和冷却系统的优化设
算网格模型。由于涉及极为复杂的热辐射分析，所以对计算模型的 想是考虑边界网格面作为辐射的吸收和发射源，江边界网格面上
网格离散要求极高。首先保证网格的数值质量较高，另外需要尽量 向半球空间发射的辐射能离散成有限束能束，这些能束穿过内部
保证交接面的网格节点对应，以保证交界面两侧的温度误差较小。 网格被介质吸收和散射后，到达另外的边界面上被吸收。在各边
模拟中对涉及辐射的固体域和流体域的交接壁面，进行了相关网格 界网格面上基础的辐射能达到平衡。
处理，对涉及流体域湍流模拟中的换热分析需要的边界层网格也进
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对于 Discrete Transfer 辐射模型方程，考虑到其假设是用单
行了相关处理。采用的是完全非结构四面体网格，网格总数约为 一的（辐射）射线代替从辐射表面沿某个立体角的所有辐射效应。
散，针对控制方程的特点，连续性方程，动量方程，能量方程，湍动
能方程和湍动能耗散方程均采用 High resolution 格式离散计算，
求解器使用全隐式多网格耦合求解，同时求解方程组，加上多网
格技术，提高了 CFX 的计算速度和稳定性。
硅棒辐射参数为：发射率 0.4。反射率 0.6。考虑反应中的对壁 面辐射率的影响，内夹层壁面的辐射率设置为：发射率 0.7，发射 率 0.3。专家系数选择 topology estimate factor，设置为 1.2。
（2Dongfang Steam Turbine Co. Ltd，Deyang 618201，China）
【摘 要】为了提高多晶硅还原炉结构设计的安全性和指导运行过程中的冷却系统调节控制，需要 全面了解在工作过程中各部件的温度分布。结合大型多晶硅还原炉研制要求，对多晶硅还原炉的辐射、导 热和对流的传热过程进行传热耦合温度模拟方法研究。采用 Unigraphics?建立多晶硅还原炉三维整体模 型，在 ANSYS CFX 数值仿真平台上进行炉膛内的辐射换热、炉夹层的冷却流道冷却水系统的对流换热、 炉壁各结构件的导热过程中的温度计算仿真。通过与产品设计物理模型进行比较，表明温度场数值模拟 的可靠性和准确性，可以用于指导工艺参数控制。另外温度场数值模拟结果可以供还原炉设计过程中进 行热结构耦合分析，以对高温高压下工作的还原炉进行安全性评估。
关键词：大型多晶硅还原炉；温度模拟分析；ANSYS CFX 【Abstract】In order to ensure the safety of the structure design for the polycrystalline silicon reduc－ tion furnace and conduct the regulating and controling of the cooling systems in operation，it is nesscessary to master the temperature distribution of all parts in operation comprehensively. It describes the reasarch of the heat transfer coupling temperature simulation invovled radiation，heat conduction and convection，which is combined with the R&D of a Large-Scale polycrystalline silicon furnace. The 3-dimentional model is constructed by Unigraphics and the temperature calculating contained radiative heat transfer inside the hearth，the convective heat transfer in the cooling systems and heat conduction in all metal and non-metal parts are carried on the numerical simulation bench of ANSYS CFX . By Comparing with the physical model of the furnace，it has shown that the temperature simulation is enough reliable and accurate to con－ duct the control of the technological parameters. The results of the simulation could be used as the temper－ ature boundary conditions in the thermal-structure coupling analysis，which could be used to evaluate the safety of furnace under working condition of the high temperature and high pressure. Key words：Large-Scale polycrystalline silicon furnace；Temperature simulation and analysis； ANSYS CFX
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管 俭等：大型多晶硅还原炉的温度场模拟
第4期
1 多晶硅还原炉的结构与几何建模
1.1 多晶硅还原炉的结构
我国多晶硅还原炉的研究起步较晚，作为我国最早进行多晶 硅生产研发机构之一的峨嵋半导体厂，一直进行多晶硅还原炉的 试验和理论研究。西华大学能源与环境学院在此基础上进行了更 深入的研究。其结构由保温层、外夹层、内夹层带有螺旋流道、底 盘、电极座、视镜、导轨、吊耳等部分组成，为了更清晰地分析多晶 硅还原炉的温度场数值模拟过程。对多晶硅还原炉的结构进行适 量简化，数值模型，如图 1 所示。其主要由保温层、外夹层、壁面螺 旋流道、内夹层、底盘四个固体域，壁面循环冷却系统，底盘循环 冷却系统，反应气体域，三个流体域共同组成。
乙 + Ksv 4π
I（v r軆，s軆′）dΩ+S
4π
假设系统是适度均匀，于是：
（1）
（a）内夹层固体域交接面网格（b）气体反应域交接面网格 图 2 交接面网格
2 多晶硅还原炉的传热过程与物理模型
2.1 多晶硅还原炉的工作传热过程
经分析，多晶硅生长过程中的主要热量由电极发热，通过辐
I（v r軆）～I（v r軆 +dr軆）
定；Iv—平均辐射强度。
针对涉及的循环冷却系统的循环流道曲率较大，选择考虑了
湍流剪切应力，更精确模拟逆压分离流的 SST 模型（Shear Stress
Transport）湍流模型，同时由于考虑更精确模拟流场的对流换热，
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Apr.2009
机械设计与制造
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选择适用于流动阻力、流动传热的精确分析 SST 模型和自动壁面 函数。湍流模型试验对比图，如图 4 所示。
炉结构是非常重要的研究内容之一。某公司为了解决 500t 多晶
目前国内对多晶硅还原炉的研究主要停留在试验和生产多
硅还原炉在设计过程中遇到的传热与强度问题，需要对其多晶硅 晶硅的热力学理论阶段[1]，对整体多晶硅还原炉的传热的耦合分
还原炉在其正常生产工艺下的冷却流场的传热“、热－结构”应力 析研究尚属空白。
（2）
R
R
qv（r軆）～qv（r軆 +dr軆）
（3）
对方程（1）从边界面出发，沿辐射行程积分。若沿着射线行
程，那么，对于 Iv，有：
I（v r軆，s軆）=Ivoexp（-（Kav+Ks）v s）+Ib（v 1-exp（-Kas））+KsvIv
（4）
式中：Ivo—射线行程起始点的辐射强度，它由相应的边界条件确