单晶硅是半导体器件和集成电路的重要原材料,对信息技术的发展有着很重要的影响。直拉法是生长单晶硅的一种重要方法,直拉法晶体生长过程既有物质的传输,也有动量和热量的传输,坩埚内熔体的流动、传热及传质直接影响硅单晶的质量。为了提高晶体硅的质量,必须了解直拉法生长坩埚内硅熔体的流动、传热和传质特性。本课题在常规的硅单晶生长坩埚内加入间壁,研究在不同的边界条件下坩埚内硅熔体的流动、传热及传质的特性和规律。建立了加入间壁后直拉法硅熔体内的能量、动量、质量输运的物理模型和数学模型,假定硅熔体为不可压缩牛顿流体,满足Boussinesq假设,作稳态的二维轴对称运动,采用有限容积法进行数值求解。计算采用低雷诺数κ-ε湍流模型,分析了不同的间壁高度、间壁位置、晶体转速、坩埚转速和坩埚侧壁热边界条件等因素对硅熔体流场、温度场和氧浓度的影响。结果表明:随着间壁高度的变短,硅熔体流动变弱;熔体-晶体界面附近等温线更密集、更平坦;熔体-晶体界面的平均氧浓度增加,熔体-晶体界面的氧浓度径向分布更不均匀。随着间壁与坩埚中心轴之间距离的增加,熔体流动减弱;熔体-晶体界面附近等温线更密集、更平坦;熔体-晶体界面的平均氧浓度降低,熔体-晶体界面的氧浓度径向分布更不均匀。晶体转速对硅熔体的整体流动影响不是很大,而且由于间壁的存在进一步减弱了晶体旋转对整体流场的影响。但晶体旋转产生的离心力会影响熔体-晶体界面附近熔体的流动、传热和氧浓度。随着晶体转速的增加,熔体流动增强;熔体-晶体界面附近等温线变得稀疏;熔体-晶体界面的平均氧浓度增大,熔体-晶体界面的氧浓度径向分布更均匀。坩埚旋转对整个硅熔体的流动有很大的影响。随着坩埚转速的增加,硅熔体的总体流动减弱;熔体-晶体界面附近等温线更密集、更平坦;熔体-晶体界面的平均氧浓度降低,熔体-晶体界面的氧浓度径向分布更均匀。在坩埚侧壁热边界为第二类热边界条件与第一类热边界条件的工况下,整个硅熔体的流场、温度场和氧浓度场有着类似的特征。随着坩埚侧壁与熔体-晶体界面的最大温差或坩埚侧壁热流密度的增加,整个熔体流动增强;熔体-晶体界面的平均氧浓度增加,熔体-晶体界面的氧浓度径向分布均匀性变化不大。