基于 ANSYS的感应炉硅提纯数值模拟.pdf

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1、基于ＡＮＳＹＳ的感应炉硅提纯数值模拟胡慧基于ANSYS的感应炉硅提纯数值模拟胡慧（天津铁道职业技术学院天津，３００４０２）摘要：从感应炉加热的有关原理和电磁场、热场、流场等多物理场耦合计算的有限元方法着手，对感应加热电磁场、温度场以及熔体的运动情况进行理论推导，得到电磁场、温度场和流场分布的数学模型及相应的有限元分析模型。使用ＡＮＳＹＳＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ等模拟软件得到坩埚内电磁场、电磁力、温度场以及熔体运动的分布。将数值模拟的结果与实验结果相对比，证明了数值模拟的结果达到了工艺上的准确性，并且对实验具有指导作用。关键词：模拟；有限元法；硅提纯中图分类号：ＴＰ７４８文献标识码：ＡＤＯＩ编

2、码：１０．１４０１６／ｊ．ｃｎｋｉ．１００１－９２２７．２０１６．０３．２１６Abstract：Ｂａｓｅｄｏｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ，ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ，ｆｌｕｉｄｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｗｅｓｔａｒｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｆｒｏｍｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｉｎｄｕｃｔｉｏｎｆｕｒｎａｃｅｈｅａｔｉｎｇａｎｄｍｕｌｔｉ－ｐｈｙｓｉｃｓｃｏｕｐｌｉｎｇＦＥＭ，ｔｈｅＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｓｉｌｉｃｏｎｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｂｙｉｎｄｕｃｔｉｏｎｆｕｒｎａｃｅａｒｅｅｓｔａｂｌ

3、ｉｓｈｅｄ．ＵｓｉｎｇＡＮＳＹＳＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ，ｗｅｇｅｔｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｏｒｃｅ，ｔｈｅｒｍａｌｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｍｏｔｉｏｎｏｆｍｅｌｔｉｎｔｈｅｃｒｕｃｉｂｌｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｄｉｒｅｃｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Keywords：Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＦＥＭ；Ｓｉｌｉｃｏｎｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ０引言２数值模拟技术硅是地壳中第二丰富的元素。广泛应用于汽车行业、钢数值模拟技术是

4、功能强大的现代设计分析手段，它利用铁行业、半导体等行业。随着近年来光伏产业的快速发展，适计算机和数值计算方法对加工过程进行数值分析，由数值分合太阳能电池用的硅材料成为研究热点。析结果确定加工工艺参数和有关量之间的关系。感应加热本本文采用有限元方法模拟感应加热技术提纯硅的过程身是一个复杂的物理过程，它牵涉电、磁、热、相变、力学方面中，坩埚内电磁场、电磁力、温度场以及熔体运动的分布。的综合知识，计算机技术虽然不能直接给出感应加热过程中诸如相态分布、应力分布与工艺参数的函数关系，但它能对电１感应加热技术磁场－温度场或电磁场－温度场－流场进行耦合计算，给出每感应加热技术在过去的几年中广泛地应用于冶金

5、等行一瞬时的温度场、流场等的信息，并直接观察到感应加热的过［２－３］业。感应加热系统的基本组成部分有电源，感应线圈和被加程变化情况。热工件等。在感应加热过程中，环绕在工件外侧的线圈承载２畅１电磁场分析感应加热电源产生的交变电流，变化的电流在空间产生变化感应加热电磁场的控制方程由一套Ｍａｘｗｅｌｌ方程组描的磁场。当被加热工件放置于感应线圈内部时，工件内部将述，它包含四个定律：安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高［４］产生感应电流，根据焦尔定律，电能转化为热能，对工件进行斯电通定律和高斯磁通定律。［１］加热。安培环路定律：在本实验中，我们将金属硅原料放置于分瓣的水冷铜坩→→→→抄D→埚中，进行加

6、热。在硅料熔化再凝固的过程中，硅中的杂质元∮H·dl＝（J＋）·dSΓ簇Ω抄t素在液相中聚集，最后凝固的部分杂质含量最高，通过机械的→→→H：磁场强度矢量；J：传导电流密度矢量；D：电通密度方法将其切除，可达到提纯的效果。感应炉示意图如图１矢量。所示。法拉第电磁感应定律：→→→抄B→∮E·dl＝－·dSΓ簇Ω抄t→→E：电场强度矢量；B：磁感应强度矢量。高斯电通定律：→→促D·dS＝ρdvS蹿V图１感应炉示意图Ｐ：电荷体密度；ｖ：闭合曲面Ｓ所围成的体积区域。在感应炉硅提纯实验过程中，由于熔体温度较高且存在高斯磁通定律：→→着较强的电磁场，使得在实验过程中熔体的温度、熔体运动的促B·dS＝０S

7、速度、方向等物理量难以测量，因此我们采用计算机模拟的方上面积分形式所表达的电磁场基本定律在场域连续时亦法进行研究。可用微分形式表示，引入Ｈａｍｉｌｔｏｎ算子▽，分别对应：→→→→抄B抄D收稿日期：２０１５－１０－２６蜒×H＝J＋＝Je＋JS＋作者简介：胡慧，主要研究方向为电磁场。抄t抄t·２１６·枟自动化与仪器仪表枠２０１６年第３期（总第１９７期）→→由能量守恒定律可知：抄B蜒×E＝－抄tQ１＝Q２＋Q３→→