表面反应与化学气相沉积模拟（二）
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本文摘要（由AI生成）：
这篇文章通过FLUENT 模拟了一个包含体积反应和表面反应的多步化学气相沉积过程。文章介绍了模型的建立、网格划分、边界条件和求解设置，并展示了计算结果。结果表明，该模型能够正确模拟化学气相沉积过程，并且得到的质量沉积率与进出口质量流率净量基本相等。
1 前言
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition 简称CVD) 是利用气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面上发生反应生成固态沉积物的过程，是利用FLUENT模拟表面化学反应的典型应用场景。化学气相沉积过程分为三个重要阶段：反应气体向基体表面扩散、反应气体吸附于基体表面、在基体表面上发生化学反应形成固态沉积物及产生的气相副产物脱离基体表面。之前我们做了一个简单的CVD案例，考虑单步表面反应，接下来我们考虑一个更为详细的反应，既有体积反应，又有表面反应的多步反应。2 建模与网格
创建如下二维平面计算域，本案例对于WALL、QUARTZ、SUSCEPTOR均不创建计算域，也就是只考虑流体域。划分四边形结构化网格，节点数3270，最小正交质量1。3 边界条件与求解设置
开启组分输运模型，混合物气相组分为sih4、sih2和h2，固态沉积相组分为si，并开启体积反应和表面反应，混合物物性采用质量加权平均。这里注意我们将壁面表面反应选项的mass deposition source和heat of surface reactions勾选，前者在连续性方程中加入固体沉积源项，也就是进出口在质量流量上是不平衡的，不平衡量就等于沉积的量，后者就是反应热源项，不细说了。创建如下三步化学反应，其中4.2a反应类型为体积反应，4.2b和4.2c反应类型为表面反应，其中g表示气相，s表示固态沉积相。。反应4.2a的指前因子A=2.54e37，活化能Ea=2.59e8J/kmol，温度系数β=-7.95，速率指数νsih4=1。反应4.2b的速率如下，注意该速率为质量速率，可以根据已知参数最终转换为FLUENT标准的阿累尼乌斯速率（kmol/m2-s）这里补充一点知识，FLUENT阿累尼乌斯速率可以有如下几种形式，软件默认采用3.45c即质量速率来计算组分源项，但是输入阿累尼乌斯标准反应速率时，采用的是3.45b即摩尔速率。但是各个形式之间可以基于摩尔浓度和质量分数之关系、摩尔浓度与分压之关系以及质量分数和分压之关系进行相互转换。因此反应4.2b的指前因子A=0.334，活化能Ea=7.815e7J/kmol，温度系数β=0.5，速率指数νsih4=1。反应4.2c的指前因子A=1e16，活化能Ea=0J/kmol，温度系数β=1，速率指数νsih2=1。设置入口为速度入口边界，速度0.175m/s，温度300K，质量组分为1.57%的SiH4，其余为H2。SUSCEPTOR壁面为1300K恒温条件，并且开启reaction，表示此处发生表面反应。若此处不开反应，那么先前定义的表面化学反应不会启动，除非流体域为开启化学反应的多孔介质区域并且表面体积比（surface to volume ratio）为非零值。表面积涂层系数（Surface Area Washcoat Factor）用来表征催化剂的粗糙表面，通常取大于1的数值来描述有效反应面积增量，跟多孔介质的表面体积比作用类似，这是一种简化处理方式。QUARTZ壁面为300K恒温面，顶部壁面为绝热面，这些面都是非反应表面。4 计算结果
先检查质量守恒和能量守恒情况，进出口质量流率净量约为1.3314e-06kg/s，如果不勾选前文的mass deposition source，那么进出口质量流率就几乎相等了，读者朋友可以自行尝试。我们看一下sih4的摩尔分数，在SUSCEPTOR反应面的摩尔分数最小，符合预期情况。再看一下表面沉积相分布，全部位于在SUSCEPTOR反应面，符合预期情况。最后，看一下进出口的sih4摩尔分数，sih4的转化率约为35.8%。最后，我们求一下反应面的平均沉积速率，再乘以反应面的面积，即可得到质量沉积率，约为1.3314e-6kg/s，基本上等于进出口的质量流率净量。
