西门子还原炉的流动状态转变及基于流动结构的放大试验

《AIChE Journal?AIChE》：Flow-regime transition and flow-structure-based scale-up of Siemens reduction furnaces

　　摘要

西门子炉是非线性化学气相沉积（CVD）反应器，在这些反应器中，随着晶棒的生长，流动状态会发生变化，但目前尚缺乏明确的放大准则。本研究通过结合流体力学实验和模拟来揭示相关的流动机制。实验表明流动状态从“射流-腔体”模式转变为“射流-晶棒”相互作用模式。模拟结果显示，过高的喷嘴密度会缩短射流的发育空间，导致扩散湍流区域变得更为封闭；而晶棒束则能够抑制物质混合，保持轴向动量，并使射流传输更加集中。研究提出了两个无量纲参数：在“射流-腔体”主导的流动模式下，喷嘴数量应受到限制，需满足条件 Π1 = ????2/9??2 < 1（其中 Π1 表示喷嘴密度与流动空间面积的比值）；在“射流-晶棒”主导的流动模式下，当喷嘴数量与晶棒数量的比值 Π2 = r/n 介于 3–4 之间时，可以实现有效的喷嘴-晶棒匹配。这项工作为受限型多射流CVD反应器的设计与流体力学放大提供了基于物理原理的基础，将反应器几何结构与保持有利于反应的流动组织方式联系起来，超越了传统的经验性几何放大方法。

数据可用性声明

用于生成图 6、图 10 和图 13 的数值数据以及相应的数据处理流程，都以.xlsx 文件的形式包含在补充材料中。补充材料还提供了关于数值方法、网格策略、收敛性评估以及额外实验观察结果的详细信息。如有合理需求，可向相应作者索取更多的计算流体动力学（CFD）数据。