Гидромеханика при выращивании кристаллов из водно-солевых растворов
Автор: Верезуб Наталия Анатольевна, Простомолотов Анатолий Иванович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.15, 2022 года.
Бесплатный доступ
Дается обзор современного состояния исследований, связанных с решением технологической проблемы контроля и управления процессами гидродинамики и массообмена в кристаллизаторах сложных конструкций (проточных и непроточных) при выращивании из специальных водно-солевых растворов технически ценных кристаллов дигидрофосфата калия - KDP, и смешанного кристалла никеля и кобальта - KCNSH. В отличие от стандартных конструкций, используемых при выращивании кристаллов из расплава (согласно методам Чохральского, Бриджмена и другим), при выращивании кристаллов из водно-солевых растворов применяются такие конструкции кристаллизаторов, в которых, по мнению разработчиков, создаются необходимые условия для роста кристаллов благодаря обеспечению наилучших характеристик их обтекания (скорости и направления течения, насыщенности солевого раствора и его температуры). Рассматриваются решения задач гидромеханики при выращивании кристаллов в проточных и непроточных кристаллизаторах. Физическое моделирование с визуализацией течения демонстрирует многовихревую и нестационарную структуру течения вследствие воздействия мешалок, трехмерного подвода и отвода раствора и пространственного размещения кристалла. Поэтому основное внимание уделяется публикациям, посвященным разработке и приложениям математических моделей гидромеханики и тепломассопереноса на основе полных уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска для ламинарных режимов, а также для турбулентных режимов с учетом стандартной (k-ε)-модели. В случае проточных кристаллизаторов обсуждаются особенности гидромеханики, обусловленные сложностью их трехмерных конструкций, а для непроточных кристаллизаторов анализируются возможности поддержания требуемой насыщенности солевого раствора вблизи растущего кристалла в течение длительного времени. Цитируются работы, в которых математическое моделирование осуществляется в сопряженной постановке как конвективный массообмен в системе «раствор-кристалл», и принимаются во внимание локальные особенности гидродинамики и условий массообмена в растворе, влияющие на солевое насыщение раствора вблизи растущего кристалла.
Рост кристаллов, водно-солевой раствор, пересыщение, гидромеханика, кристаллизатор, дигидрофосфат калия, смешанный кристалл
Короткий адрес: https://sciup.org/143178537
IDR: 143178537 | УДК: 548.55
Hydromechanics for crystal growth from water-salt solutions
This paper presents an overview of the current state of technological problem solving related to controlling of hydrodynamics and mass transfer in crystallizers of complex design (continuous-flowing and non-flowing) during the growth of crystals with technologically important properties (potassium dihydrogen phosphate - KDP and a mixed crystal of nickel and cobalt - KCNSH) from special water-salt solutions. Unlike crystallizers of standard designs for crystal growth from a melt (by Czochralski, Bridgman, etc.), there are also crystallizers of different design for crystal growth from water-salt solutions. According to the designers, the necessary crystal growth conditions are maintained in these crystallizers by creating the best characteristics of the flow, i.e., by controlling its velocity and direction, as well saline saturation solution and temperature. In this work, hydromechanical problems are solved for continuous-flowing and non-flowing crystallizers. The flow visualization through its physical model reveals a multi-vortex and unsteady flow structure due to mixer action, three-dimensional solution inflow and outflow and spatial crystal placement. For this reason, primary attention is given to the studies devoted to the development and application of the mathematical models for hydromechanics and heat and mass transfer based on the complete Navier-Stokes equations in the Boussinesq’s approximation for laminar regimes, as well as to the standard (k-ε)-turbulence model for turbulent regimes. The hydromechanical features associated with the three-dimensional flow complexity are discussed for continuous-flow crystallizers. The possibilities of maintaining the required saline saturation near the growing crystal over a long period of time are analyzed for non-flowing crystallizers. Mathematical models of convective mass transfer are considered in a "solution-crystal" conjugate formulation. The local features of hydrodynamics and mass transfer conditions in solution (saline solution saturation near growing crystal) are analyzed.
Список литературы Гидромеханика при выращивании кристаллов из водно-солевых растворов
- Волошин А.Э., Руднева Е.Б., Маноменова В.Л. Особенности образования неоднородностей состава кристаллов, выращиваемых из растворов // Вестник РФФИ. 2014. Т. 82, № 2. С. 29-33.
- Booth N.A., Chernov A.A., Vekilov P.G. Characteristic length scales of step bunching in KDP crystal growth: in situ differential phase-shifting interferometry study // J. Cryst. Growth. 2002. Vol. 237-239. P. 1818-1824. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(01)02101-7
- Chernov A.A. Step bunching and solution flow // J. Optoelectron. Adv. Mater. 2003. Vol. 5, No. 3. P. 575-587. https://joam.inoe.ro/arhiva/pdf5_3/Chernov.pdf
- Vekilov P.G., Alexander J.I.D., Rosenberger F. Nonlinear response of layer growth dynamics in the mixed kinetics-bulk transport regime // Phys. Rev. E. 1996. Vol. 54. P. 6650-6660. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.54.6650
- Smolsky I.L., Zaitseva N.P., Rudneva E.B., Bogatyreva S.V. Formation of «hair» inclusions in rapidly grown potassium dihydrogen phosphate crystals // J. Cryst. Growth. 1996. Vol. 166. P. 228-233. https://doi.org/10.1016/0022-0248(96)00080-2
- Coriell S.R., Murray B.T., Chernov A.A., McFadden G.B. Step bunching on a vicinal face of a crystal growing in a flowing solution // J. Cryst. Growth. 1996. Vol. 169. P. 773-785. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(96)00470-8
- Coriell S.R., Murray B.T., Chernov A.A., McFadden G.B. The effect of a shear flow on the morphological stability of a vicinal face: Growth from a supersaturated solution // Adv. Space Res. 1998. Vol. 22. P. 1153-1158. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(98)00158-6
- Dinakaran S., Verma S., Das S.J., Kar S., Bartwal K.S. Influence of forced convection on unidirectional growth of crystals // Phys. B: Condens. Matter. 2010. Vol. 405. P. 3919-3923. https://doi.org/10.1016/j.physb.2010.06.028
- Robey H.F., Potapenko S.Y. Ex situ microscopic observation of the lateral instability of macrosteps on the surfaces of rapidly grown KH2PO4 crystals // J. Cryst. Growth. 2000. Vol. 213. P. 355-367. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(00)00025-7
- Vartak B., Yeckel A., Derby J.J. Time-dependent, three-dimensional flow and mass transport during solution growth of potassium titanyl phosphate // J. Cryst. Growth. 2005. Vol. 281. P. 391-406. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2005.04.037
- Chernov A.A., Rashkovich L.N., Vekilov P.G. Steps in solution growth: dynamics of kinks, bunching and turbulence // J. Cryst. Growth. 2005. Vol. 275. P. 1-18. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.10.094
- Zhou C., Li M., Yin H., Hu Z., Yin H., Wang B., Cuiet O. Simulation of the flow and mass transfer for KDP crystals undergoing 2D translation during growth // J. Cryst. Growth. 2016. Vol. 450. P. 103-118. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.05.052
- Liu H., Li M., Zhu Y. An analysis of flow and mass transfer of solution growth of NH4H2PO4 crystals by the modified eed mounting geometries // J. Cryst. Growth. 2020. Vol. 545. 125729. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2020.125729
- Masalov V.M., Vasilyeva N.A., Manomenova V.L., Zhokhov A.A., Rudneva E.B., Voloshin A.E., Emelchenko G.A. Growth of mixed K2(Ni,Co)(SO4)2·6H2O crystals under stationary conditions of supercooling and forced convection of the aqueous solution // J. Cryst. Growth. 2017. Vol. 475. P. 21-25. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2017.05.028
- Voloshin A.E., Manomenova V.L., Rudneva E.B., Vasilyeva N.A., Masalov V.M., Zhokhov A.A., Emelchenko G.A. Growth of high-perfect mixed K2NixCo1-x(SO4)2·6H2O crystals for fabrication of high-efficiency UV optical filters // J. Cryst. Growth. 2018. Vol. 500. P. 98-103. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2018.08.018
- Васильева Н.А., Руднева Е.Б., Маноменова В.Л., Григорьев Ю.В., Масалов В.М., Жохов А.А., Емельченко Г.А., Волошин А.Э. Исследование радиальной неоднородности и мозаичной микронеоднородности в смешанных кристаллах KCNSH // Кристаллография. 2019. Т. 64, № 5. C. 812-817. https://doi.org/10.1134/S0023476119050242
- Григорьева М.С., Васильева Н.А., Артемов В.В., Волошин А.Э. Мозаичная микронеоднородность в кристаллах твердых растворов (Co,Ni)K2(SO4)2·6H2O // Кристаллография. 2014. Т. 59, № 2. С. 316-323. https://doi.org/10.7868/S0023476114020106
- Glikin A.E., Kovalev S.I., Rudneva E.B., Kryuchkova L.Yu., Voloshin A.E. Phenomena and mechanisms of mixed crystal formation in solutions. I. General concept on the example of the system KHC8H4O4-RbHC8H4O4-H2O // J. Cryst. Growth. 2003. Vol. 255. P. 150-162. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(03)01189-8
- Voloshin A.E., Kovalev S.I., Rudneva E.B., Glikin A.E. Phenomena and mechanisms of mixed crystal formation in solutions. II. Mechanism of interface processes // J. Cryst. Growth. 2004. Vol. 261. P. 105-117. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2003.09.025
- Верезуб Н.А., Волошин А.Э., Маноменова В.Л., Простомолотов А.И. Гидродинамика раствора при скоростном росте кристаллов KDP // Кристаллография. 2018. Т. 63, № 2. С. 302-306. https://doi.org/10.7868/S0023476118020248
- Верезуб Н.А., Волошин А.Э., Простомолотов А.И. Гидродинамика и массоперенос при выращивании смешанных кристаллов из раствора // Кристаллография. 2019. Т. 64, № 6. С. 973-978. https://doi.org/10.1134/S0023476119060250
- Верезуб Н.А., Волошин А.Э., Маноменова В.Л., Простомолотов А.И. Моделирование процессов гидродинамики и массопереноса при выращивании кристаллов KDP // Кристаллография. 2020. Т. 65, № 4. С. 654-659. https://doi.org/10.31857/S0023476120040268
- Prostomolotov A.I., Verezub N.A., Vasilyeva N.A., Voloshin A.E. Hydrodynamics and mass transfer during the solution growth of the K2(Co,Ni)(SO4)2·6H2O mixed crystals in the shapers // Crystals. 2020. Vol. 10. P. 982-994. https://doi.org/10.3390/cryst10110982
- Zhokhov A.А., Masalov V.М., Rudneva E.В., Manomenova V.L., Vasilyeva N.A., Sukhinina N.S., Voloshin A.E., Emelchenko G.A. Growth of mixed K2NixCo(1-x)(SO4)2·6H2O crystals for large supercooling without spontaneous crystallization in solution // Mater. Res. Express. 2020. Vol. 7. 016202. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab5fa4
- Жохов А.А., Емельченко Г.А., Масалов В.М., Сухинина Н.С., Маноменова В.Л., Руднева Е.Б., Васильева Н.А., Волошин А.Э. Устройство для выращивания смешанных кристаллов сульфата кобальта-никеля-калия для оптических фильтров ультрафиолетового диапазона. Патент РФ № RU 2725924 от 19.02.2020. https://i.moscow/patents/RU2725924C1_20200707 (дата обращения 01.04.2022)
- Prostomolotov A.I., Ilyasov H.H., Verezub N.A. CrystmoNet remote access code for Czochralski crystal growth modelling // Science and Technology. 2013. Vol. 3. No. 2A. P. 18-25. http://article.sapub.org/10.5923.s.scit.201301.04.html (дата обращения 01.04.2022)
- Полежаев В.И., Бунэ А.В., Верезуб Н.А., Глушко Г.С., Грязнов В.Л., Дубовик К.Г., Никитин С.А., Простомолотов А.И., Федосеев А.И., Черкасов С.Г. Математическое моделирование конвективного тепломассообмена на основе уравнений Навье-Стокса. М.: Наука, 1987. 272 с.
- Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. Canada, DCW Industries, 2006. 522 p.
- Launder B.E., Spalding D.B. Lectures in mathematical models of turbulence. London, New York, Academic Press, 1972. 169 p.
