Моделювання і управління глобальним теплообміном в установках для вирощування частково прозорих матеріалів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 – Технічна теплофізика і промислова енергетика. – Національний технічний університет України «КПІ», Міністерство освіти і науки України, Київ, 2009. Дисертація присвячена розробці чисельних моделей радіаційно-конвективного теплообміну при вирощуванні кристалів напівпрозорих матеріалів з розплавів для різних класів сцинтиляційних кристалів та методів їх вирощування, а також дослідженню методів управління температурними умовами для процесів направленої кристалізації. Розроблено загальну математичну постановку двовимірної осесиметричної задачі радіаційно-конвективного теплообміну кристалізаційної установки з урахуванням селективності оптичних властивостей напівпрозорих матеріалів. Проведено чисельні розрахунки і вивчені процеси кристалізації в системі кристал-розплав для матеріалів з властивостями оксидних та лужно-галоїдних кристалів з урахуванням селективності їхніх коефіцієнтів поглинання та з використанням сітки, що динамічно перебудовується. Проаналізовано спрощені варіанти глобальних чисельних моделей для застосування їх при оперативному контролі ходу процесів направленої кристалізації. Показано, що регулювання радіаційного тепловідводу від розплаву шляхом екранування або введенням поглинаючих домішок є ефективними методами керування тепловими режимами процесів вирощування кристалів.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Национальный технический университет Украины «КПИ», Министерство образования и науки Украины, Киев, 2009. Диссертация посвящена разработке численных моделей радиационно-конвективного теплообмена при выращивании кристаллов полупрозрачных материалов израсплавов для классов сцинтилляционных кристаллов и методов их выращивания, а также исследованию методов управления температурными условиями в процессах направленной кристаллизации. Разработана общая математическая постановка двумерной осесимметричной задачи радиационно-конвективного теплообмена кристаллизационной установки с учетом селективности оптических свойств полупрозрачных материалов. Методика численного решения рассмотренной математической постановки задачи использует методы законченных объемов и дискретных ординат. Проведены численные расчеты и изученыпроцессы кристаллизации в цилиндрической системе кристалл-расплав для материалов со свойствами оксидных и щелочно-галоидных кристаллов с учетом селективности их коэффициентов поглощения и с использованием динамически перестраиваемой сетки для отслеживания положения и формы фронта кристаллизации. Исследовано влияние селективности оптических свойств кристалла и расплава и показано, что введениепримесей с целью измененияпоглощения является одним из действенных методов управления процессом кристаллизации. Показано, что регуляция радиационного теплоотвода от расплава путем экранирования является эффективным и безинерционным методом управления тепловыми режимами процессов выращивания кристаллов. Рассмотрены варианты упрощений численных моделей для применения их в оперативном контроле хода процессов направленной кристаллизации и исследовано влияние этих упрощений на точность численных расчетов. Разработан ряд глобальных моделей радиационно-кондуктивного теплообмена для кристаллизационных установок, реализующих методы осевого теплового потока и Бриджмена. Проанализированы возможности упрощенного учета радиационного и конвективного теплопереноса в глобальных моделях, реализованных с помощью стандартных вычислительных пакетов. Разработана глобальная численная модель радиационно-конвективного теплообмена в установке для выращивания кристаллов йодида цезия по методу Киропулоса, которая используется для исследований влияния карбонатных примесей на тепловые условия кристаллизации активированных кристаллов, отработке технологии выращивания и разработке проектов новых образцов ростового оборудования.

The thesis for competition of scientific degree of Candidate in technical sciences according to on speciality 05.14.06 – Technical thermal physics and industrial heat and power engineering. – National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ministry of education and science of Ukraine, Kyiv, 2009. The is devoted to development of numerical models of radiation-convective heat exchange at crystal growth from melts of semitransparent materials for the differen types of scintillation crystas and growth methods. The thesis is also devoted to research of temperature conditions control methods at directed crystallization processes. The generalmathematical statement of 2D axisymmetric problem of radiation-convective heat exchange at crystallization installations is developed considering selectivity of semitransparent materials optical properties. Numerical calculations are conducted and crystallization processes are studied in the crystal-melt system for materials with properties of oxide and alkaline-haloid crystals with taking into account selectivity of their absorptance and usage of dynamically rebuilt mesh. The simplified versions of global heat exchange models are analysed for their application at real-time control of directed crystallization. It is shown that adjustment of radiation heatsink from the melt with the screen or absorptive impurities introduction are effective and fast-response methods of thermal regimes control at crystal growth.