一种金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法

本发明涉及数值模拟领域，更具体地讲，涉及一种金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法。

背景技术：

1、目前，高纯金属制备技术已被视为微电子集成电路、航空航天等领域的重要技术储备。金属铟(in)广泛应用于微电子集成电路产业及高端芯片靶材领域，均对金属铟的纯度要求较高，例如，在半导体领域对in纯度要求基本在6n以上。目前在高纯铟制备及提纯过程中真空蒸馏都是较为有效且清洁绿色的技术手段。

2、真空炉内温度场和金属蒸气分布(即流场)对高纯金属的纯度和直接收率至关重要。然而真空炉像一个“黑匣子”，真空炉内准确的温度场和金属蒸气分布并不明晰，导致无法精准把控实践过程中的温度及温度梯度。在实验和生产过程中，人们依靠经验或进行大量探索性试验来进行初步判断，后续根据试验结果尝试性修改变量数据以获得满意的参数设置，然后，该方法会导致实验研究和生产过程冗长，资源能源消耗加剧。

3、数值模拟作为现行较为有效的降低实验生产成本，提高预测结果可靠性的手段及方法。通过计算机模拟反应过程，获得较为准确的过程数据参数及结果预测，可减少探索性试验次数和经验判断造成的误差，有效指导生产过程。因此，借助模拟的方法明确真空炉内温度场和流场对真空冶金领域迫在眉睫。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种对金属铟真空蒸馏过程进行比较准确的数值模拟方法，可有效降低实验和生产过程中资源能源消耗。

2、本发明提供了一种金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法，可以包括以下步骤：步骤s1，对金属铟真空蒸馏所用高温真空设备结构以及内部构件进行三维模型绘制，其中，高温真空设备设置有冷却水进口以及冷却水出口，内部构件包括发热体；步骤s2，将绘制的模型按多面体网格进行划分，并在固体-固体、固体-流体接触面进行边界层加密；步骤s3，在模型中赋予高温真空设备及内部构件对应材质，分别设定金属铟真空蒸馏过程中的温度场数值模拟以及流场数值模拟的基本假设及控制方程；步骤s04，设定温度场数值模拟的边界条件并赋予初始值，基于控制方程计算后得到高温真空设备内的温度场数值模拟结果；步骤s05，基于获得的温度场数值模拟结果，设置流场数值模拟的边界条件并赋予初始值，基于控制方程计算后得到高温真空设备内的流场数值模拟结果。

3、进一步地，设定金属铟真空蒸馏过程中的温度场数值模拟以及流场数值模拟的基本假设包括：发热体温度恒定，冷却水进口流速以及温度恒定，冷却水出口不产生回流，气体密度遵循boussinesq假设。

4、进一步地，控制方程可以包括：

5、质量连续方程：

6、

7、动量连续方程：

8、x方向

9、y方向

10、z方向

11、能量守恒方程：

12、

13、其中，ρ表示质量密度，t表示时间，u、v、w为x、y、z方向上的速度矢量，m/s；ρu、ρv、ρw分别表示x、y、z三个方向的质量通量；fx为作用在单位质量流体微元上的体积力f的x方向分量；fy为f在y方向分量；fz为f在z方向分量；τxx、τyy、τzz分别为垂直于x、y、z的平面上，应力方向与法线方向相同的应力张量，pa；τxy为作用在与x垂直的平面上的应力分量，方向指向y，pa；τxz为作用在与x垂直的平面上的应力分量，方向指向z，pa；τyx为作用在与y垂直的平面上的应力分量，方向指向x，pa；τyz为作用在与y垂直的平面上的应力分量，方向指向z，pa；τzx为作用在与z垂直的平面上的应力分量，方向指向x，pa；τzy为作用在与z垂直的平面上的应力分量，方向指向y，pa；；e为分子随机运动产生的单位质量的内能，j；p为压强，pa；t为温度，k；为单位质量的体积加热率，j/kg·k；k为热导率，w/m·k。

14、进一步地，步骤s3还包括在温度场数值模拟中设置热辐射模型为surface tosurface模型，其控制方程为：

15、jk＝ek+ρkqin,k

16、其中，jk表示从表面发出的辐射；ek表示表面k的自身辐射；ρk表示反射率；qin,k表示从周围物体发出的入射辐射热流。

17、进一步地，设定温度场数值模拟的边界条件并赋予初始值包括：设定边界条件包括：冷却水入口设为速度入口，冷却水出口为压力出口，其余边界均设置为绝热壁面；

18、赋予初始值包括设置操作压强，冷却水流速度以及发热体工作温度。

19、进一步地，操作压强设置为1pa；冷却水流速设置为2m/s；当然，可以根据实际情况设置发热体工作温度；金属铟饱和温度与压强的关系为：

20、lgp＝-12580t-1-0.45lgt+11.91。

21、进一步地，设置流场数值模拟的边界条件并赋予初始值包括：

22、设定边界条件包括：冷却水入口设为速度入口，冷却水出口为压力出口，其余边界均设置为绝热壁面；

23、赋予初始值包括：设置操作压强，冷却水流速以及初始化时设备内液态铟的高度。

24、进一步地，初始化时设备内液态铟的高度为4mm。

25、进一步地，得到高温真空设备内的温度场数值模拟结果还包括：当计算稳定后提取设备内温度监测点数值并与设备内实际测定的监测点数值进行对比，若对比后数值不吻合，则修改气体材料热导率以及热膨胀系数后重新计算，基于新的温度场数值模拟提取设备内温度监测点数值并与设备内实际测定的监测点数值进行对比，若对比后数值吻合，则认为获得了可靠的温度场数值模拟结果。以上，气体材料主要指的是设备内的气氛。

26、进一步地，若对比后数值不吻合，则修改气体材料热导率为8～9w/m·k，热膨胀系数为0.006～0.008/k重新计算。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：本发明模拟方法能够对金属铟真空蒸馏过程进行比较准确的数值模拟，可用于进一步指导有色金属真空蒸馏提纯分离实践，有效降低实验和生产过程中的资源、能源消耗。

技术特征：

1.一种金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法，其特征在于，设定金属铟真空蒸馏过程中的温度场数值模拟以及流场数值模拟的基本假设包括：发热体温度恒定，冷却水进口流速以及温度恒定，冷却水出口不产生回流，气体密度遵循boussinesq假设。

3.根据权利要求1或2所述的金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法，其特征在于，控制方程包括：

4.根据权利要求1或2所述的金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法，其特征在于，步骤s3还包括在温度场数值模拟中设置热辐射模型为surface to surface模型，其控制方程为：

5.根据权利要求1或2所述的金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法，其特征在于，设定温度场数值模拟的边界条件并赋予初始值包括：

6.根据权利要求1或2所述的金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法，其特征在于，设置流场数值模拟的边界件并赋予初始值包括：

7.根据权利要求1或2所述的金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法，其特征在于，得到高温真空设备内的温度场数值模拟结果还包括：

8.根据权利要求7所述的金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法，其特征在于，若对比后数值不吻合，则修改气体材料热导率为8～9w/m·k，热膨胀系数为0.006～0.008/k重新计算。

9.根据权利要求1或2所述的金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法，其特征在于，步骤s05的流场数值模拟过程中采用vof多相流模型对金属铟蒸发时的相界面变化进行追踪。

技术总结
本发明提供了一种金属铟真空蒸馏过程数值模拟方法，包括对金属铟真空蒸馏所用高温真空设备结构以及内部构件进行三维模型绘制；将绘制的模型按多面体网格进行划分；在模型中赋予高温真空设备及内部构件对应材质，设定金属铟真空蒸馏过程中的温度场数值模拟以及流场数值模拟的基本假设以及控制方程；设定温度场数值模拟的边界条件并赋予初始值，基于控制方程计算后得到高温真空设备内的温度场数值模拟结果；基于获得的温度场数值模拟结果，设定流场数值模拟的边界条件并赋予初始值，控制方程计算后得到高温真空设备内的流场数值模拟结果。本发明能够对金属铟真空蒸馏过程进行比较准确的数值模拟，可用于进一步指导有色金属真空蒸馏提纯分离实践。

技术研发人员：孔令鑫,杨斌,赵薇,徐宝强,蒋文龙,田阳,邓勇
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31