本案例利用Fluent的VOF模型研究旋涂工艺过程。

旋涂工艺是半导体制造中的重要工艺过程，该工艺将球形液滴放置于圆盘上，之后高速旋转圆盘，从而将液滴均匀的分布于圆盘上。圆盘高速旋转过程中，液滴粘度、表面张力及液滴液体与圆盘表面的的润湿角决定了液滴扩散的速度及扩散形成的轮廓。

案例采用轴对称模型进行计算，采用VOF模型模拟液滴的浓度分布。

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问题描述

本案例将研究一种高粘性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅油在旋转的圆形玻璃基板上的传播。模型示意图如图所示。

在模拟开始之前，小部分PDMS被放置于圆盘中央，随时间的推移，材料的扩散过程会被观察到。最终，在达到临界润湿半径后，液滴形状发生改变，失去了圆形的形状。

考虑模型轴对称，采用二维模型进行计算。计算网格由3680个单元组成。网格在旋转壁面附近被细化。 
所有其他的边界都指定为大气压力条件。模拟中指定主相为空气，第二相为PDMS。采用Patch指定PDMS初始半径为0.0036 m。

计算过程分两阶段进行。第一阶段，圆盘为静止，允许液滴在无旋转的条件下扩散，模拟过程中检测液滴的高度，此过程一持续到液滴高度达到1.8 mm；第二阶段，指定圆盘以31.4 rad/s(或300 rpm)的角速度旋转，使液滴进一步沿径向扩散。

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Fluent设置

2.1 导入网格

• 以2D、Double Precision方式启动Fluent

• 利用菜单File → Read → Mesh...读取网格文件spin.msh

计算网格如图所示。

注意：由于Fluent要求旋转轴沿X轴方向，所以本案例的网格方向

2.2 General设置

• 双击模型树节点General，右侧面板选择选项Transient及Axisymmetric Swirl

2.3 Models设置

• 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase，选择多相流设置对话框

• 选择模型Volume of Fluid，激活选项Implicit Body Force，其他参数保持默认设置

• 点击OK按钮关闭对话框

2.4 Materials设置

• 双击模型树节点Materials > Fluid > air，弹出材料参数设置对话框

• 修改Viscosity为1.7894e-3 kg/m-s

• 点击按钮Change/Create修改参数

• 右键选择模型树节点Materials > Fluid，选择弹出菜单项New...，打开材料新建对话框，如下图所示，新建材料pdms，设置Density为960.2 kg/m3，设置Viscosity为9.702 kg/m-s

• 点击按钮Change/Create创建新材料

2.5 定义相及相间作用

• 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase > Phase > phase-1-Primary Phase，设置主相为air，如下图所示

• 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase > Phase > phase-2-Secondary Phase，设置第二相为pdms，如下图所示

• 鼠标双击模型树节点Models > Multiphase > Phase > Phase Interactions，如下图所示，设置表面张力系数为0.0212，激活选项Wall Adhesion

2.6 Boundary Conditions设置

1、Moving-wall设置

• 双击模型树节点Boundary Conditions > moving-wall，弹出边界设置对话框

• 如下图所示，设置该边界旋转速度为0，指定Contact Angles为30 deg

2、side-outlet设置

修改边界side-outlet的类型为pressure inlet，采用默认参数。

2.7 Solution Methods设置

• 鼠标双击模型树节点Solution > Methods，右侧面板如下图所示设置

2.8 Initialization

• 鼠标双击模型树节点Initialization，右侧面板采用默认设置，点击按钮Initialize进行初始化

• 点击工具栏按钮Mark/Adapt Cells > Region...弹出设置对话框

• 如下图所示设置一个坐标原点（0,0），半径0.0036 m的圆，点击Mark按钮进行标记

• 点击Initialization面板中的Patch按钮，弹出设置对话框，如下图所示进行设置

此时可以观察pdms的体积分数分布云图，如下图所示。

2.9 创建ISO-Surface

创建等值面以用于监测。

• 选择工具栏按钮Create > Iso-Surface...弹出等值面定义对话框

• 如下图所示定义等值面interface为相pdms的体积分数为0.5，点击按钮Create创建等值面

2.10 设置物理量监测

• 定义检测类型

• 监测气液分界面最大x坐标

• 监测旋转边界上pdms体积分数

• 初始时刻体积分数分布（进行对称处理，并旋转了视图）

2.11 设置自动保存

• 双击模型树节点Calculataion Activities > Autosave，弹出设置对话框

• 设置Save Data File Every为5

2.12 Run Calculation

• 双击模型树节点Run Calculation

• 右侧面板中设置Time Step Size为0.4 s，设置Number of Time Steps为165

• 设置Max Iterations/Time Step为30

• 点击按钮Calculate开始计算

2.13 计算结果

• 动边界上pdms体积分数随时间变化

• 液滴高度随时间变化

• 液滴体积分数分布

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旋转计算

3.1 计算设置

修改边界条件，指定旋转速度为31.4 rad/s。

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > moving wall

• 双击模型树节点Run Calculation，右侧面板中设置Time Step Size为0.4 s，设置Number of Time Steps为165，设置Max Iterations/Time Step为30，点击按钮Calculate开始计算

3.2 计算结果

• 液滴高度变化

• 动边界上液滴体积分数

• 液滴体积分数分布

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