Numerical simulation of convection and heat transfer in Czochralski crystal growth by multiple-relaxation-time LBM

格拉肖夫数 格子Boltzmann方法 自然对流 机械 传热 对流 材料科学 热力学 旋转对称性 强迫对流 对流换热 雷诺数 物理 努塞尔数 湍流
作者
Ding Liu,Weichao Huang,Ni Zhang
出处
期刊:AIP Advances [American Institute of Physics]
卷期号:7 (7) 被引量:8
标识
DOI:10.1063/1.4995414
摘要

A two-dimensional axisymmetric swirling model based on the lattice Boltzmann method (LBM) in a pseudo Cartesian coordinate system is posited to simulate Czochralski (Cz) crystal growth in this paper. Specifically, the multiple-relaxation-time LBM (MRT-LBM) combined with the finite difference method (FDM) is used to analyze the melt convection and heat transfer in the process of Cz crystal growth. An incompressible axisymmetric swirling MRT-LB D2Q9 model is applied to solve for the axial and radial velocities by inserting thermal buoyancy and rotational inertial force into the two-dimensional lattice Boltzmann equation. In addition, the melt temperature and the azimuthal velocity are solved by MRT-LB D2Q5 models, and the crystal temperature is solved by FDM. The comparison results of stream functions values of different methods demonstrate that our hybrid model can be used to simulate the fluid-thermal coupling in the axisymmetric swirling model correctly and effectively. Furthermore, numerical simulations of melt convection and heat transfer are conducted under the conditions of high Grashof (Gr) numbers, within the range of 105 ∼ 107, and different high Reynolds (Re) numbers. The experimental results show our hybrid model can obtain the exact solution of complex crystal-growth models and analyze the fluid-thermal coupling effectively under the combined action of natural convection and forced convection.
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