mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2014-4-257-267mateltech-180Research ArticleМоделирование процессов и материаловMODELING OF PROCESSES AND MATERIALSРАСЧЕТНО−ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ФОРМУ ФРОНТА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ГЕПТАДЕКАНА И ГАЛЛИЯ В МОДЕЛИ МЕТОДА ЧОХРАЛЬСКОГОNumerical and Experimental Study of the Influence of Thermal Processes on the Shape of Solidification Front in Czochralski Model for Heptadecane and GalliumВерезубН. А.VerezubN. A.

старший научный сотрудник, канд. физ.−мат. наук

Senior Researcher, Cand. Sci. (Phys.−Math.)

verezub@ipmnet.ruПростомолотовА. И.ProstomolotovA. I.

ведущий научный сотрудник, доктор техн. наук

Leading Researcher, Dr. Sci. (Eng.)

prosto@ipmnet.ruБердниковВ. С.BerdnikovV. S.

заведующий лабораторией, доктор физ.−мат. наук

Header of Laboratory, Dr. Sci. (Phys.−Math.)

berdnikov@itp.nsc.ruВинокуровВ. А.VinokurovV. A.

научный сотрудник, канд. физ.−мат. наук.

Researcher, Cand. Sci. (Phys.−Math.)

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского Российской академии наук, просп. Вернадского, д. 101, корп. 1, 119526, Москва, РоссияРоссияInstitute for Problems in Mechanics (IPMech) of Russian Academy of Sciences, 101 Bldg. 1, prospekt Vernadskogo, 119526 Moscow, RussiaRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, просп. Академика Лаврентьева, д. 1, 630090, Новосибирск, РоссияРоссияInstitute of Thermophysics, Sibirian Branch of Russian Academy of Sciences, 1 Akademika Lavrent’eva Ave., 630090 Novosibirsk, RussiaRussian Federation20140806201604257267Copyright © Верезуб Н.А., Простомолотов А.И., Бердников В.С., Винокуров В.А., 20162016Верезуб Н.А., Простомолотов А.И., Бердников В.С., Винокуров В.А.Verezub N.A., Prostomolotov A.I., Berdnikov V.S., Vinokurov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/180

Процессы конвективного теплопереноса и кристаллизации изучены на основе упрощенной, но единой расчетно− экспериментальной модели метода Чохральского, в которой использованы два вещества с температурами плавления, близкими к комнатным: одно (гептадекан) с низкой, другое (галлий) с высокой теплопроводностью. Благодаря прозрачности расплава гептадекана визуализированы структуры как самого течения расплава, так и его закристаллизовавшейся части в лабораторном эксперименте, что обеспечило расчетную модель данными для тестирования. На основе численных расчетов проведено параметрическое изучение структур течения, тепловых потоков на охлаждаемом диске и определена зависимость формы фронта кристаллизации для обоих веществ от режимов конвективного теплообмена: термогравитационной и смешанной(т. е. при дополнительном вращении кристалла) конвекции. 

Convective heat transfer and solidification have been studied using a simplified but unified simulation/experimental model of the Czochralsky method for two materials with melting points close to room temperature: heptadecane (low heat conductivity) and gallium (high heat conductivity). Due to the transparency of the heptadecane melt we have been able to visualize the melt flow patterns and the solidified structures in a laboratory experiment to provide the simulation model with source data. Based on calculations we have studied the parameters of melt flow patterns, heat flows on the cooled disc and the dependence of solidification front shape for both materials on convective heat transfer modes: thermogravity and mixed (i.e. with additional crystal rotation) convection.

моделированиекристаллизациягидродинамикатеплопереносмодель метода Чохральскогоsimulationcrystallizationhydrodynamicsheat transferCzochralski modelReferencesBerdnikov, V. S. The phenomenon of «cold plume» instability in Czochralski hydrodynamic model: Physical and numerical simulation / V. S. Berdnikov, A. I. Prostomolotov, N. A. Verezub // J. Cryst. Growth. − 2014. − V. 401. − P. 106—110.Berdnikov V. S., Prostomolotov A. I., Verezuv N. A. The phenomenon of «cold plume» instability in Czochralski hydrodynamic model: Physical and numerical simulation. J. Cryst. Growth. 2014, vol. 401, pp. 106—110. http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2013.12.055Ansys CFD // Lisence of IPMech RAS, No 659778−23−Aug− 2011.Ansys CFD. Lisence of IPMech RAS, no. 659778−23−Aug−2011.Berdnikov, V. S. Complex simulation of crystal pulling from the melt / V. S. Berdnikov, V. V. Vinokourov, V. A. Gaponov, V. A. Markov//Proc.FourthInternat.Conf.«Singlecrystalgrowth and heat and mass transfer». − Obninsk: SSC RF IPPE, 2001. − V. 1. − P. 80—106.Berdnikov V. S., Vinokourov V. V., Gaponov V. A., Markov V. A. Complex simulation of crystal pulling from the melt. Proc. Fourth Internat. Conf. «Single crystal growth and heat and mass transfer». Obninsk: SSC RF IPPE, 2001, vol. 1. Pp. 80—106.Бабичев, А. П. Физические величины: Спр. / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский, М. Е. Бродов, М . В. Быстров, Б. В. Виноградов, Л. И. Винокурова, Э. Б. Гельман, А. П. Геппе, И. С. Григорьев, К. Г. Гуртовой, В. С. Егоров, А. В. Елецкий, Л. К. Зарембо, В. Ю. Иванов, В. Л. Ивашинцева, В. В. Игнатьев, Р. М. Имамов, А. В. Инюшкин, Н. В. Кадобнова, И. И. Карасик, К. А. Кикоин, В. А. Криворучко, В. М. Кулаков, С. Д. Лазарев, Т. М. Лифшиц, Ю. Э. Любарский, С. В. Марин, И. А. Маслов, Е. 3. Мейлихов, А. И. Мигачев, С. А. Миронов, А. Л. Мусатов, Ю. П. Никитин, Л. А. Новицкий, А. И. Обухов, В. И. Ожогин, Р. В. Писарев, Ю. В. Писаревский, В. С. Птускин, А. А. Радциг, В. П. Рудаков, Б. Д. Сумм, Р. А. Сюняев, М. Н. Хлопкин, И. Н. Хлюстиков, В. М. Черепанов, А. Г. Чертов, В. Г. Шапиро, В. М. Шустряков, С. С. Якимов, В. П. Яновский. / под. ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. − М.: Энергатомоиздат, 1991. − 1232 с.Babichev A. P., Babushkina N. A., Bratkovskii A. M., Brodov M. E., Bystrov M. V., Vinogradov B. V., Vinokurova L. I., Gel’man E. B., Geppe A. P., Grigor’ev I. S., Gurtovoi K. G., Egorov V. S., Eletskii A. V., Zarembo L. K., Ivanov V. Yu., Ivashintseva V. L., Ignat’ev V. V., Imamov R. M., Inyushkin A. V., Kadobnova N. V., Karasik I. I., Kikoin K. A., Krivoruchko V. A., Kulakov V. M., Lazarev S. D., Lifshits T. M., Lyubarskii Yu. E., Marin S. V., Maslov I. A., Meilikhov E. Z., Migachev A. I., Mironov S. A., Musatov A. L., Nikitin Yu. P., Novitskii L. A., Obukhov A. I., Ozhogin V. I., Pisarev R. V., Pisarevskii Yu. V., Ptuskin V. S., Radtsig A. A., Rudakov V. P., Summ B. D., Syunyaev R. A., Khlopkin M. N., Khlyustikov I. N., Cherepanov V. M., Chertov A. G., Shapiro V. G., Shustryakov V. M., Yakimov S. S., Yanovskii V. P. Pod. red. I. S. Grigor’eva, E. Z. Meilikhova. Fizicheskie velichiny: Spr. [Physical quantities: B.R.] Moscow: Energoizdat, 1991. 1232 p. (In Russ.)Бердников, В. С. Общие закономерности конвективного теплообмена в системе тигель−расплав−кристалл в методе Чохральского и их влияние на формы фронта кристаллизации / В. С. Бердников, В. А. Винокуров, В. В. Винокуров, В. А. Гапонов, В. А. Марков // Вестник НГУ им. Лобачевского, МЖГ. − 2011. − No 4(3). − С. 641—643.Berdnikov V. S., Vinokourov V. A., Vinokourov V. V., Gaponov V. A., Markov V. A. General regularities of convective heat transfer in the crucible melt−crystal system of Czochralski method and their influence on the solidification front shape. Vestnik of the Lobachevsky NSU. 2011, no. 4(3), pp. 641—643. (In Russ.). http://www.vestnik.unn.ru/nomera?anum=7076Бердников, В. С. Гидродинамика и теплообмен при вытягивании кристаллов из расплава. Ч. 1. Экспериментальные исследования режима свободной конвекции/В.С.Бердников//Изв. вузов. Материалы электрон. техники. − 2007. − No 4. − C. 19—27.Berdnikov V. S. Hydrodynamics and heat transfer in crystal pulling from the melt. Part 1. Experimental studies of the regime of free convection. Izvestiya vuzov. Materialy elektronnoi tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2007, no. 4. pp. 19—27. (In Russ.).Carruthers, J. R. Flow transitions and interface shapes in Czochralski growth of oxide crystals / J. R. Carruthers // J. Cryst. Growth. − 1976. −V. 36, N 2. − P. 212—214.Carruthers J. R. Flow transitions and interface shapes in Czochralski growth of oxide crystals. J. Cryst. Growth. 1976, vol. 36, no. 2, pp. 212—214. DOI: 10.1016/0022−0248(76)90280−3Brandle, C. D. Flow transitions in Czochralski oxide melts / C. D. Brandle // J. Cryst. Growth. − 1982. − V. 57. − P. 65—70.Brandle C. D. Flow transitions in Czochralski oxide melts. J. Cryst. Growth. 1982, vol. 57, pp. 65—70. DOI:10.1016/0022−0248(82)90249−4Nikolov, V. Relationship between the hydrodynamics in the melt and the shape of the crystal/melt interface during Czochralski growth of oxide single crystals: II. Determination of the critical rotation rate from physical simulation data on growth in the presence of simultaneous free and forced convections; comparison with experimental data on crystal growth / V. Nikolov, K. Iliev, P. Peskev // J. Cryst. Growth. − 1988. − V. 89, N 2−3. − P. 324—330.Nikolov V., Iliev K., Peskev P. Relationship between the hydrodynamics in the melt and the shape of the crystal/melt interface during Czochralski growth of oxide single crystals: II. Determination of the critical rotation rate from physical simulation data on growth in the presence of simultaneous free and forced convections; comparison with experimental data on crystal growth. J. Cryst. Growth. 1988, vol. 89, no. 2−3, pp. 324—330. DOI: 10.1016/0022−0248(88)90417−4Basu, B. Effect of crystal rotation on the three−dimensional mixed convection in the oxide melt for Czochralski growth / B. Basu, S. Enger, M. Breuer, F. Durst // J. Cryst. Growth. − 2001. − V. 230. − P. 148—154.Basu B., Enger S., Breuer M., Durst F. Effect of crystal rotation on the three−dimensional mixed convection in the oxide melt for Czochralski growth. J. Cryst. Growth. 2001, vol. 230, pp. 148—154. DOI:10.1016/S0022−0248(01)01351−3Верезуб, Н. А. Конвективный теплообмен в расплаве при выращивании монокристаллов гранатовой структуры методом Чохральского / Н. А. Верезуб, М. Н. Нуцубидзе, А. И. Простомолотов // Изв. РАН. МЖГ. − 1995. − No 4. − C. 29—38.Verezub N. A., Nutsubidze M. N., Prostomolotov A. I. Convective heat transfer in the melt during the growth of single crystals of garnet structure by the Czochralski method. Fluid Dynamics. 1995, no. 4, pp. 29—38. (In Russ.)Miller, D. C. Fluid flow patterns in a simulated garnet melt / D. C. Miller, T. L. Pernell // J. Cryst. Growth. − 1982. − V. 58. − P. 253—260.Miller D. C., Pernell T. L. Fluid flow patterns in a simulated garnet melt. J. Cryst. Growth. 1982, vol. 58, pp. 253—260. DOI: 10.1016/0022−0248(82)90233−0

The authors declare that there are no conflicts of interest present.