Υπολογιστική μελέτη πολλαπλότητας χώρου λύσεων σε αντιδραστήρα περιστρεφόμενου υποστρώματος για απόθεση υμενίων από ατμό - Γάκης, Γεώργιος - Παύλος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ), 2015)
Οι διεργασίες χημικής απόθεσης από ατμό χρησιμοποιούνται ευρέως στην σύγχρονη βιομηχανία, με κύριες εφαρμογές στην παραγωγή ημιαγώγιμων υλικών, στο πεδίο της παραγωγής προϊόντων της οπτικής και της μικροηλεκτρονική. Στόχος των διεργασιών χημικής απόθεσης από ατμό είναι η ανάπτυξη λεπτών φιλμ (υμενίων), των οποίων τα κύρια ποιοτικά χαρακτηριστικά είναι η ομοιομορφία πάχους του παραγόμενου υμενίου και η καθαρότητα της σύστασης του προϊόντος. Για την επίτευξη των στόχων αυτών, απαιτείται η εις βάθος κατανόηση των φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα σε μια τέτοια διεργασία και των μηχανισμών τους. Σημειώνεται ότι η επίτευξη ομοιομορφίας (πάχους) του παραγόμενου υμενίου επηρεάζεται σημαντικά από τη ροή στο εσωτερικό του αντιδραστήρα. Τα τελευταία χρόνια η υπολογιστική διερεύνηση των διεργασιών αυτών, και η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων λειτουργίας τους στην ομοιομορφία του παραγόμενου υμενίου, γίνεται με τη βοήθεια λογισμικού υπολογιστικών φαινομένων μεταφοράς, τα οποία προσομοιώνουν ρεαλιστικά προβλήματα φυσικών και χημικών διεργασιών. Στα διάφορα είδη λογισμικού χρησιμοποιούνται κώδικες και υπολογιστικές μέθόδοι που έχουν εξελιχθεί αρκετά ώστε να μπορούν να επιλύσουν τα περισσότερα προβλήματα. Πολλές φορές όμως, χρειάζεται η σύζευξή τους με βοηθητικούς εξωτερικούς κώδικες, για να ανιχνεύσουν πληροφορίες και αποτελέσματα που δεν μπορούν να αποδόσουν μόνοι τους, όπως είναι η πολλαπλότητα λύσεων, ή η ανίχνευση ασταθών λύσεων του προβλήματος. Στην παρούσα εργασία, έγινε μια υπολογιστική μελέτη σε έναν εμπορικό αντιδραστήρα χημικής απόθεσης από ατμό, χρησιμοποιώντας το λογισμικό υπολογιστικής ρευστομηχανικής ANSYS -Fluent. Στόχος της διερεύνησης ήταν η ανίχνευση των διάφορων μορφών του πεδίου ροής στο εσωτερικό του αντιδραστήρα, οι οποίες οδηγούν σε διαφορετικά αποτελέσματα στο παραγόμενο προϊόν. Τέλος, διενεργήθηκε υπολογιστική μελέτη για την ύπαρξη πολλαπλότητας λύσεων, δηλαδή πεδίων ροής, για ένα εύρος παραμετρικών τιμών. Η μελέτη αυτή έγινε με τη σύζευξη εξωτερικών συναρτήσεων στον κώδικα του Fluent. 2 Τα αποτελέσματα που προέκυψαν στην παρούσα διπλωματική εργασία, οδήγησαν στην κατηγοριοποίηση τριών μορφών λύσεων του πεδίου ροής, κάθε μία από τις οποίες ασκεί διαφορετική επίδραση στην ομοιομορφία του προϊόντος της διεργασίας. Η φύση των λύσεων που προέκυψαν από τους υπολογισμούς ποικίλει, τόσο σε σχέση με το πεδίο ροής στο οποίο οδηγούν, όσο και με τη δυναμική τους συμπεριφορά, δηλαδή τη μεταβολή τους ως προς το χρόνο. Έτσι, προκύπτουν λύσεις μόνιμης κατάστασης, αλλά και λύσεις περιοδικά μεταβαλλόμενες ως προς το χρόνο, ανάλογα με τις τιμές των παραμέτρων της διεργασίας. Τέλος, η διερεύνηση επιβεβαίωσε την ύπαρξη πολλαπλότητας λύσεων, για ένα εύρος των παραμετρικών τιμών. Συγκεκριμένα, εντοπίστηκαν δύο ευσταθείς κλάδοι λύσεων. Συνεπώς, για την ίδια τιμή παραμέτρων, ο αντιδραστήρας μπορεί να λειτουργήσει σε δύο διαφορετικές καταστάσεις σε καθεμιά από τις οποίες μπορεί να οδηγηθεί με την επιβολή κατάλληλης διαταραχής πεπερασμένης ενίσχυσης.