表面反应与化学气相沉积模拟（一）
本文摘要（由AI生成）：
这篇文章主要介绍了利用FLUENT 软件模拟表面化学反应的典型应用场景——化学气相沉积（CVD）过程。文章首先介绍了 CVD 的基本概念和过程，然后详细描述了建模和网格划分、边界条件和求解设置等步骤。最后展示了计算结果，包括质量守恒和能量守恒情况、sih4 的摩尔分数、表面沉积相分布、沉积速率分布曲线以及进出口的 sih4 摩尔分数等。通过该案例，可以了解 CVD 过程的模拟方法和结果分析。
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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。接下来我们花一点篇幅做做CVD的简单案例。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。创建如下化学反应，类型为表面反应，其中g表示气相，s表示固态沉积相。这是一个表面化学反应，SiH4在SUSCEPTOR表面发生沉积，形成固态沉积相Si和气相H2。该化学反应假定为扩散控制反应（diffusion controlled reaction），扩散控制反应通过给定一个非常大的反应速率常数（阿累尼乌斯速率）来产生非常大的反应速率，以至于只要SiH4接触到SUSCEPTOR表面即可发生反应，因此该反应表面的SiH4浓度几乎为零。本案例，我们给定活化能为0，并给定较大的指前因子A，并给定温度系数β为1，当然这两个数可以设置得更大。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1.633e-06kg/s，占进口流量的0.56%，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。我们看一下SUSCEPTOR反应面的沉积速率分布曲线。最后，看一下进出口的sih4摩尔分数，sih4的转化率约为40.6%。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1.6396e-5kg/s，基本上等于进出口的质量流率净量。
