Тепломассообмен и физическая газодинамика

Трехмерное численное моделирование процесса переноса паров кремния в ходе насыщения пористой углеродной матрицы

В. А. Демин^ab, Т. В. Демина<sup>ac

a</sup> Пермский государственный национальный исследовательский университет, физический факультет
^b Пермский национальный исследовательский политехнический университет
^c Институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь

Аннотация: Получено новое уравнение переноса паров кремния в постороннем газе, описывающее процесс высокотемпературного силицирования пористого углеродного волокна. Модифицированное нелинейное уравнение диффузии выводится из полной системы уравнений гидродинамики. Дополнительный конвективный перенос кремния в нем описывается квадратичным по градиенту концентрации слагаемым. Его вклад характеризуется новым параметром, который имеет такую же размерность, как коэффициент диффузии, и зависит от характеристик несущего газа. Демонстрация работоспособности полученного уравнения в частных производных осуществляется на примере трехмерного численного моделирования переноса паров кремния в реторте применительно к условиям, наиболее приближенным к некоторому технологическому процессу. Показано, что после начала испарения с зеркала расплава кремний довольно быстро заполняет практически все пространство реторты за исключением тонкого пограничного слоя вблизи изделия: предполагается, что на нем происходит полное поглощение кремния. Теоретический вывод хорошо согласуется с экспериментом, так как предлагается градиент концентрации на поверхности углеродного изделия достаточный для его силицирования за время, наблюдаемое в эксперименте. Разработанный подход противопоставляется модели чисто диффузионного транспорта, который, как оказалось, не объясняет столь интенсивный массоперенос кремния в реторте.

УДК: 538.931, 533.5

Поступила в редакцию: 06.05.2024
Исправленный вариант: 18.07.2024
Принята в печать: 03.12.2024

DOI: 10.31857/S0040364424060102