基于轻量级显式界面跟踪方法的蓝宝石晶体肩部生长数值模拟与实验验证

《Crystals》：A Fluid–Thermal Coupling Solution Method for the Shoulder Expansion Process of Sapphire Grown by the Kyropoulos Method

　　

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摘要

为了解决用Kyropoulos方法生长蓝宝石晶体时，在肩部生长阶段固液界面发生大变形和瞬态演变所带来的计算效率低的问题，本文开发了一种轻量级的显式界面跟踪方法。该方法提出了一种两阶段时间步进算法来模拟界面演变。在每个时间步长，根据当前的固液界面配置求解流场和温度场，并利用特征热梯度和热力学平衡关系计算有效的界面生长速度。随后通过连续的生长和拉动子步骤更新固液界面、晶体轮廓和熔体表面位置。将更新后的几何形态传递到下一个时间步长，以实现肩部生长过程中移动界面的连续跟踪。该方法在固定的背景网格上实施，有效减少了因频繁动态重新网格划分而导致的计算成本。基于此方法，对不同种子直径进行了参数模拟和实验验证。与传统策略相比，所提出的方法将总计算时间减少了约30%。工业实验结果证实，预测结果与观察到的宏观形态相符，为优化肩部生长过程参数提供了一种高效的数值方法。