Численное моделирование термовязкопластических процессов при вытяжке волоконных световодов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Шабарова, Любовь Васильевна

  • Шабарова, Любовь Васильевна
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2013, Нижний Новгород
  • Специальность ВАК РФ01.02.06
  • Количество страниц 176
Шабарова, Любовь Васильевна. Численное моделирование термовязкопластических процессов при вытяжке волоконных световодов: дис. кандидат технических наук: 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры. Нижний Новгород. 2013. 176 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шабарова, Любовь Васильевна

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН И ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ПО МАТЕМАТИЧЕСКОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ ГИДРО- И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЫТЯЖКЕ ВОЛОКОН

1.1 Классификация оптических волокон

1.2 Технологии изготовления оптических волокон

1.2.1 Основные методы производства волоконных световодов

1.2.2 Вытягивание стекловолокна из заготовки

1.2.3. Тигельные методы производства заготовок

1.2.3.1 Метод одинарного тигля

1.2.3.2. Двухтигельные методы

1.2.3.3 Двухтигельные методы для вытяжки волокон из расплавов стекол, склонных к кристаллизации и содержащих макрокомпонент с повышенной летучестью

1.3 Обзор результатов по математическому моделированию гидро- и термодинамических процессов при вытяжке волокон

1.4 О применении технологий вычислительного эксперимента в задачах вытяжки волокон

1.5. Формулировка задачи исследования

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ В СОВРЕМЕННЫХ ПАКЕТАХ ГИДРОГАЗОДИНАМИКИ

2.1 Постановка задачи течения двухслойной струи в фильере двойного тигля

2.2. Математическое моделирование течения вязких сред в неоднородном температурном поле

2.3. Численная реализация решения уравнений

2.3.1 Метод контрольных объемов

2.3.2 Схемы центральных и направленных против потока разностей и методы расщепления многомерных задач

2.3.2.1. Схема центральных разностей и схема направленных против потока разностей

2.3.2.2 Методы расщепления для многомерных задач

2.3.3. метод SIMPLE для связывания скоростей и давлений на разнесенных сетках

2.4. Методики вычислительных экспериментов

2.4.1. Методика вычислительного эксперимента по моделированию течения расплавов в фильере двойного тигля

2.4.2. Методика вычислительного эксперимента по исследованию локальных температурных неоднородностей в фильере двойного тигля

2.4.3. Методика вычислительного эксперимента по исследованию геометрических дефектов фильеры двойного тигля на форму поперечного сечения волокна

2.4.4. Методика вычислительного эксперимента по моделированию узла нагрева фильеры тигля

2.4.5. Методика моделирования погружения фильеры с расплавом сердцевины в оболочечный расплав

2.4.6. Расчетно-экспериментальная методика определения вязкости расплава стекла

2.4.6.1. Описание физического эксперимента

2.4.6.2. Описание вычислительного эксперимента

2.4.7. Расчетно-экспериментальная методика определения теплопроводности и удельной теплоемкости расплава стекла

2.4.7.1. Описание физического эксперимента

2.4.7.2. Описание вычислительного эксперимента

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЫТЯЖКЕ ОПТОВОЛОКОН

3.1. Результаты моделирования течения расплавов в фильере двойного тигля

3.2. Результаты исследования локальных температурных неоднородностей в фильере двойного тигля

3.3. Результаты исследования геометрических дефектов фильеры двойного тигля на форму поперечного сечения волокна

3.4. Результаты моделирования узла нагрева фильеры тигля для вытяжки теллуритных световодов

3.5 Результаты моделирования погружения фильеры расплава сердцевины в оболочечный расплав

3.6. Результаты определения вязкости расплава стекла

3.7. Результаты определения удельных теплопроводности и теплоемкости расплава стекла

3.8. Отработка методами вычислительного эксперимента перспективных устройств для вытяжки одномодовых волокон из расплавов стекол, склонных к кристаллизации и содержащих летучий макрокомпонент

3.8.1 Методология отработки перспективных устройств для вытяжки одномодовых волокон из расплавов теллуритных стекол

3.8.2 Устройство№ 1: получение одномодового волокна с использованием метода «погружение-выдавливание»

3.8.2.1 Исследование процесса погружения

3.8.2.2 Моделирование процесса выдавливания расплавов

3.8.2.3 Выводы

3.8.3 Устройство №2: получение одномодового волокна с использованием эффекта воздушной подушки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние;

ММБ - многомодовые волокна;

БМБ - одномодовые волокна;

ВС - волоконный световод;

ХОГ - химическое осаждение из газовой фазы;

ЭкзоХОГ -внешнее химическое осаждение из газовой фазы;

ЭндоХОГ - внутреннее химическое осаждение из газовой фазы;

АксиХОГ - аксиальное химическое осаждение из газовой фазы;

ШТ - штабик-трубка;

ТРВ - метод тигель-расплав-вытягивание;

ТРФ - метод тигель-расплав-фильера;

ТРФ-кс - метод тигель-расплав-фильера-квазиступенчатый;

ТРФ-ШО - метод тигель-расплав-фильера-штабик-оболочка;

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», 01.02.06 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование термовязкопластических процессов при вытяжке волоконных световодов»

ВВЕДЕНИЕ

Широкое внедрение и развитие лазеров и волоконнооптических систем связи невозможно без создания новых оптических материалов, и стеклянных волоконных световодов различных типов. В технике используются в основном твердотельные оптические материалы. Их важными характеристиками, помимо высокой прозрачности, являются нелинейность оптических свойств, дисперсия показателя преломления, теплопроводность, фоточувствительность, стойкость к лазерному и ионизирующим излучениям, устойчивость структуры к изменениям температуры.

Используемые в настоящее время волоконные световоды, выполненные на основе кварцевого стекла, не предназначены для средней инфракрасной области спектра [1]. Это связано с большими оптическими потерями кварцевых световодов на волнах, длиннее 2 мкм. Между тем, потребность в волоконных световодах и в волоконно-оптических элементах и устройствах для области спектра 2-15 мкм весьма велика. Многочисленные и разнообразные применения волоконной оптики в этом диапазоне волн имеются в биофизике, медицине, различных областях техники. В частности, в биофизике это изучение и обнаружение различных биологических видов, в медицине излучение в средней инфракрасной области позволяет селективно разрушать вредные биологические ткани, удалять сальные железы, определять состав атеросклеротических бляшек в артериях. Поскольку окна прозрачности атмосферы находятся в спектральных областях 3-5 и 8-14 мкм, то, используя лазерное излучение соответствующих длин волн, можно осуществлять оптическую связь на короткие расстояния через свободную атмосферу. На этот диапазон приходится излучение от моторов и нагретых металлических частей летательных аппаратов, что используется для их обнаружения и слежения за ними.

б

Указанные применения требуют оптических источников с достаточно высокой яркостью, когерентностью и широкой спектральной полосой. Этим требованиям удовлетворяют волоконные световоды, генерирующие суперконтинуум в средней инфракрасной области. Они должны иметь высокую нелинейность и малые оптические потери именно в этой спектральной области. Известен ряд стёкол с высокой прозрачностью в средней инфракрасной области [1], из которых изготавливаются волоконные световоды. Наивысший нелинейный показатель преломления и потенциально низкие оптические потери имеют теллуритные и халькогенидные стёкла. Им и уделяется большое внимание в мире. К сожалению, параметры волокон, получаемых из этих стекол пока далеки от потенциально возможных.

Как уже отмечалось, одна из важнейших характеристик стёкол для среднего инфракрасного диапазона - высокая нелинейность их оптических свойств, в частности высокое сечение вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) света. С позиции эффективного преобразования лазерного излучения в более длинноволновое, существенны как сечение, так и величина частотного сдвига ВКР лазерного излучения. Исследования показали, что максимальная интенсивность комбинационного рассеяния в теллуритных стёклах почти на два порядка превышает его максимальную интенсивность в кварцевых [2,3]. Широкая полоса ВКР-усиления и большая величина частотного сдвига в теллуритных стёклах делают их перспективной нелинейной средой для генерации лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона.

Применение существующих способов для получения волокон из

расплавов теллуритных стекол вызывает определенные сложности.

Сложности эти обусловлены физико-механическими особенностями этих

расплавов, а именно: крайне резкой зависимостью вязкостных характеристик

от температуры, низкой теплопроводностью, склонностью к кристаллизации

при температурах, близких к рабочему диапазону температур. Вместе с тем,

7

физико-механические свойства расплавов теллуритных стекол в температурном диапазоне, представляющем практический интерес для технологии получения оптических волокон, изучены недостаточно. В частности, в настоящее время отсутствуют надежные данные по вязкости, теплопроводности, теплоемкости теллуритных стекол в рабочем диапазоне температур получения волокон (650...850 К).

Целью настоящей диссертационной работы является, развитие и внедрение методов вычислительного эксперимента в задачи технологии оптических волокон из расплавов стекол, склонных к кристаллизации, и содержащих макрокомпонент с повышенной летучестью (халькогенидных и теллуритных стекол).

В соответствии с изложенной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:

- разработка методики моделирования течения расплава стекла при вытяжке волокон из фильеры двойного тигля с применением технологий вычислительной гидродинамики на высокопроизводительных вычислительных узлах;

- выявление методами вычислительного эксперимента влияния геометрических и физико-механических факторов, оказывающих влияние на течение струи в процессе вытяжки волокна и качество получаемого волокна;

- разработка расчетно-экспериментальных методик определения вязкости, теплопроводности и теплоемкости расплавов теллуритных стекол в температурном диапазоне изготовления волокон из этих расплавов;

- применение разработанных методик для определения физико-механических свойств теллуритных стекол;

- формирование новых способов получения волокон, адаптированных к особенностям теллуритных стекол.

Методы исследования и решений. Методика моделирования течения расплава при вытяжке волокон из фильеры двойного тигля разработана на базе пакета гидрогазодинамики АпБуБ СБХ. Методики определения вязкости, теплопроводности, теплоемкости расплавов стекол базируются на комбинации физического эксперимента и математического моделирования. Идеология этих методик заключается в проведении относительно простых, малозатратных по стоимости и времени физических экспериментов в сочетании с реализацией вычислительных экспериментов, в которых с максимальной полнотой моделируются условия и ход физического эксперимента.

Научная новизна работы заключается в применении суперкомпыотерных технологий вычислительного эксперимента, базирующихся на современных пакетах вычислительной гидрогазодинамики, для отработки устройств для вытяжки волокон из расплавов стекол. По результатам вычислительных экспериментов дан ряд рекомендаций по усовершенствованию этих устройств. С использованием технологий вычислительного эксперимента и результатов физических экспериментов определены вязкость, теплопроводность и удельная теплоемкость теллуритных стекол в диапазоне температур, соответствующем температурам получения волокон из расплавов данных стекол. В отечественной и зарубежной литературе данные по вязкостным и тепловым свойствам теллуритных стекол в рабочем диапазоне температур получения волокон отсутствуют.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Разработанная методика моделирования течения расплавов и воздуха при

вытяжке волокон из фильеры двойного тигля позволяет на предпроектных и

проектных стадиях разработки перспективных устройств по вытяжке

волокон проводить виртуальную отработку этих устройств. Применение

предлагаемой методики повышает уровень обоснованности проектно-

9

технологических решений, позволяет использовать результаты математического моделирования для физической диагностики факторов, приводящих к снижению качества получаемых в результатах вытяжки волокон.

Разработаны расчетно-экспериментальные методики, позволяющие определять вязкостные и тепловые свойства расплавов, в том числе расплавов теллуритных стекол, в диапазоне рабочих температур вытяжки из них волокон. Наличие достоверных данных по вязкости, теплопроводности, теплоемкости конкретных расплавов является необходимым условием для формирования технологической процедуры получения из этих расплавов качественных волокон.

Достоверность полученных результатов подтверждается решением тестовых задач, соответствием результатов расчетов по предложенным алгоритмам с точными решениями, валидацией расчетно-экспериментальных методик на известных вязкостных и тепловых характеристиках расплавов олова и халькогенидного стекла.

На защиту выносятся:

- результаты работы по выбору расчетных схем для проведения вычислительных экспериментов, ориентированных на моделирование течений расплавов и воздуха при вытяжке волокон из фильеры двойного тигля;

- результаты применения методики по моделированию течения расплавов и воздуха при вытяжке волокон из различных фильер двойного тигля; -расчетно-экспериментальные методики определения вязкости, теплоемкости, теплопроводности расплавов стекол и результаты применения этих методик;

- рекомендации по технологическим процедурам вытяжки и схемам

установок, предназначенных для вытяжки волокон из расплавов

халькогенидных и теллуритных стекол.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на всероссийских конференциях и семинарах и отмечены дипломами за лучшие выступления:

1. Шестая всероссийская молодежная школа-конференция «Лобачевские чтения 2007», Диплом за лучший доклад.

2. Седьмая всероссийская молодежная школа-конференция «Лобачевские чтения 2008»

3. Симпозиум, посвященный 90-летию академика Г.Г. Девятых и 20-летию Института химии высокочистых веществ РАН «Новые высокочистые материалы», 2008 г.

4. Восьмая всероссийская молодежная школа-конференция «Лобачевские чтения 2009»

5. 14-ая Нижегородскоя сессия молодых ученых(технические науки), 2009 г. Отмечена за высокий уровень

6. 14-ая Нижегородскоя сессия молодых ученых (математические науки, 2009 г. Диплом 2-ой степени.

7. Конкурс научных работ молодых ученых ИХВВ РАН, посвященный памяти академика Г.Г. Девятых, 2009 г. Грамота за первое место в конкурсе работ студентов.

8. Необратимые процессы в науке и технике, 2011 г.

9. Высокочистые вещества и материалы: получение, анализ, применение. 14 Всероссийская конференция, 2011 г.

10.16-ая Нижегородская сессия молодых ученых (математические науки), Диплом 2 степени

11. Пятая Всероссийская молодежная научно-инновационная школа "Математика и математическое моделирование"

12.10 Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики

13.17-ая Нижегородская сессия молодых ученых (математические науки)

11

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из которых 5 статей, в том числе 4 - из перечня ВАК.

Благодарности. Автор благодарен за ценные указания и обсуждение полученных результатов доктору хим. наук, профессору, действительному члену РАН Чурбанову М.Ф. и кандидату хим. наук Снопатину Г.Е. Особую благодарность за помощь в проведении физических экспериментов автор выражает кандидату химических наук Сметанину C.B.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем составляет 176 стр., включая 82 рисунка, 10 таблиц, библиографию, содержащую 60 наименований.

В первой главе приведена классификация оптических волокон, изложены способы получения оптических волокон и дан обзор известных в литературе материалов по математическому моделированию процесса получения волокон методом вытяжки.

Во второй главе представлены теоретические основы численного решения уравнений вязкой жидкости в современных пакетах. Так же в ней приведены разработанные методики по математическому моделированию течения расплавов стекол, склонных к кристаллизации и содержащих летучий макрокомпонент (халькогенидные и теллуритные стекла) в фильере двойного тигля, в том числе с учетом процесса погружения фильеры сердцевины в расплав оболочки, локальных температурных неоднородностей и геометрических дефектов фильеры, а так же моделирования гидродинамических процессов, имеющих место в печи для вытяжки оптических волокон из расплавов стекол. Глава включает в себя описание разработанных методов определения свойств расплавов.

Третья глава посвящена изложению полученных результатов моделирования процесса вытяжки в фильере двойного тигля; результатов применения методов определения свойств расплава для изучаемых

материалов; а так же результаты по проектированию нового способа получения волоконного световода из расплавов теллуритных стекол.

В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.

ГЛАВА 1 ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН И ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ПО МАТЕМАТИЧЕСКОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ ГИДРО- И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЫТЯЖКЕ ВОЛОКОН

1.1 Классификация оптических волокон

Все оптические волокна делятся на две основные группы, исходя из распространяемого количества мод излучения: многомодовые MMF | (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber). Световоды различают также и по типу материала (стекла), из которого они изготовлены: кварцевые, фторидные, халькогенидные, теллуритные и др.

Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность.

В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми [4]. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 3 до 10 микрон, диаметр сердцевины при этом на порядок меньше общего диаметра волокна.

Существует три основных типа одномодовых волокон [5]:

В ступенчатом одномодовом волокне диаметр светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне при достаточно большой длине волны света распространяется только один луч (одна мода). Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрачности.

В одномодовом волокне со смещенной дисперсией смещение достигается благодаря специальному профилю показателя преломления волокна. В волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие

характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов

Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей "полностью оптических сетей" - сетей, на узлах которых не происходит опто-электронного преобразования при распространении оптического сигнала.

В стандартном многомодовом градиентном волокне (50/125 или 62,5/125) диаметр светонесущей жилы 50 и 62,5 мкм, что на порядок больше длины волны передачи. Это приводит к распространению множества различных типов световых лучей - мод.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

1.2 Технологии изготовления оптических волокон

1.2,1 Основные методы производства волоконных световодов

В зависимости от агрегатного состояния фаз, из которых формируется заготовка для оптического волокна, методы получения заготовок можно разделить на две большие группы: 1) тигельные — формирование преформ из жидкой фазы, и 2) методы осаждения из газовой фазы [6].

Выбор метода определяется назначением волоконного световода (ВС), их стоимостью и температурой плавления стекол. Обычно тигельные методы используют для изготовления волокон из многокомпонентных стекол, имеющих относительно невысокую температуру плавления. В эту группу входят способы получения трубок, служащих для формирования внешней оболочки ВС, цилиндрических заготовок (штабиков), из которых будет изготовлена сердцевина волокна, а также иногда и дешевых опорных трубок из кварцевого стекла для использования в методах осаждения из газовой фазы [7].

На рисунке 1.1 представлена краткая классификация методов получения заготовок согласно [8]. Каждый из способов, в свою очередь, реализуется в различных технологических модификациях.

Методы изготовления заготовок для производства оптических волокон

Тигельные методы

Химическое осаждение из гаювоП фазы ХОГ (СКВ)

Однотигельные методы

Двухтпгельные методы

Внешнее осаждение (ЭкзоХОГ)

Внутреннее осаждение (ЭндоХОГ)

Аксиальное осаждение (АкснХОГ)

Рисунок 1.1- Схематическая классификация методов изготовления

оптических волокон

1.2.2 Вытягивание стекловолокна из заготовки

Вытягивание ВС проводят при температурах, соответствующих диапазону значений динамической вязкости стекол 1035-106 Па-с. При такой вязкости требуется принудительное вытягивание ВС из размягченного в печи нижнего конца штабика, которое осуществляется приложением к волокну силы продольного натяжения, на специальной вытяжной машине, с помощью прецизионного волокновытягивающего приемно-намоточного устройства

(рисунок 1.2). Эта технология используется в большинстве случаев изготовления ВС, как из оксидных и бескислородных многокомпонентных стекол, так и из кварцевых стекол.

V*

\

Заготовка

Энергия

Волокно

Рисунок 1.2 - Схема вытягивания стекловолокна из заготовки: Ир— диаметр заготовки; В /— диаметр волокна; Ур— скорость подачи заготовки; V}— скорость вытяжки волокна

Вытягивание ВС по этой технологии производится из заготовки, полученной методами осаждения из газовой фазы, или из комплекта штабик-трубка (ШТ), или из штабика со спеченной с ним оболочкой.

При реализации способа ШТ особое внимание уделяется границе раздела сердцевина-оболочка. В связи с этим перед вставкой штабика в трубку их поверхности тщательно полируют, очищают кислотами от

поверхностных загрязнений и выжигают кислородной продувкой с последующим вакуумированием зазора между трубкой и штабиком.

Суть производства заготовок методом парофазного осаждения заключается в том, что за счёт реакции разложения сильнолетучих высокочистых соединений в кислородно-водородном или плазменном пламени происходит осаждение стекла. Осаждение может происходить на внешней поверхности вращающегося затравочного стержня ( OVD method, Outside Vapor Deposition), на торцевой поверхности стержня из кварцевого стекла (VAD method, Vapor Axial Deposition) или на внутренней поверхности вращающейся опорной трубки из кварцевого стекла (IVD method, Inside Vapor Deposition) [9].

Методы штабик-трубки и осаждения из газовой фазы получения оптоволокон хорошо зарекомендовали себя для кварцевых световодов, однако эти методы оказываются непригодны для изготовление качественных волокон из расплавов стекол, склонных к кристаллизации и содержащих летучий макрокомпонент (халькогенидные и теллуритные стекла).

Метод химического осаждения из газовой фазы, который в настоящее время является основным в технологии кварцевых световодов, не развит в применении к волокнам из изучаемых в диссертационной работе материалов. Это связано с трудностями получения однородного слоя стекла многокомпонентного состава на подложке при осаждении из хлоридов тяжелых металлов. Пионерской и требующей дальнейшего развития в этом отношении является работа [10], авторами которой получено стекло ТеОг-WO3 плазмохимическим осаждением оксидов теллура и вольфрама.

Волокна из расплавов теллуритных стекол, изготовленные методом штабик-трубка, несмотря на отдельные положительные результаты ([11], [12]) в среднем имеют оптические потери 2-3 Дб/м на длине волны 2.5 мкм ([13]). Это связано с известным недостатками метода, такими как трудности в

получении высококачественной поверхности волокна, и границы сердцевины и оболочки [11].

1.2.3. Тигельные методы производства заготовок 1.2.3.1 Метод одинарного тигля

Общим для вариантов осуществления тигельных способов вытягивания ВС является приготовление расплава стекла путем нагревания стекломатериала (кварцевого песка, шариков, стержней, трубок и т.п.) в кварцевом или металлическом тигле. Получившийся расплав может быть преобразован в заготовку различными способами. Классический способ — центробежное литье, когда путем охлаждения расплава, залитого во вращающуюся вдоль своей оси форму, получают заготовку оболочки в форме цилиндрической стеклянной трубы. Если эту охлажденную трубу заполнить расплавом стекла состава, соответствующего сердцевине будущего стекловолокна, то можно получить необходимую двухслойную заготовку [14].

Другой способ формирования заготовки из расплава — вытягивание охлаждаемой сверху затравочной заготовки, нижний конец которой опущен в расплав стекла. При точном контролировании скоростей охлаждения и вытягивания получается штабик в принципе любой длины (метод тигель-расплав-вытягивание — ТРВ) [7].

Таким образом может быть получен как штабик (ТРВ-Ш), так и (в случае кольцевой затравки) трубка (ТРВ-Т). Поскольку плотность стекла сердцевины всегда больше плотности стекла оболочки, разработан способ одновременного вытягивания штабика и трубки из расплава стекла сердцевины, поверх которого налит слой стекла оболочки — метод вытягивания вверх штабика со спеченной с ним оболочкой (ТРВ-ШО) [7].

Наиболее простой способ формирования заготовки из жидкой фазы — самопроизвольное истечение или продавливание расплава через фильеру —

метод тигель-расплав-фильера (ТРФ) [7]. При этом возможно получение как штабиков(ТРФ-Ш), так и (при использовании кольцевых фильер) трубок (ТРФ-Т).

1.2.3.2. Двухтигелъные методы

Использование двух концентрически расположенных огнеупорных вертикальных цилиндрических тиглей, сужающихся книзу и снабженных круглыми донными фильерами, из которых внутренний заполняется стеклом сердцевины световода, а внешний — стеклом его оптической оболочки, позволяет одновременно изготавливать преформу целиком — и сердцевину и оболочку. Более того, в этом случае возможно также и непрерывное вытягивание готового стекловолокна (рисунок 1.3).

К устрайсглбу нанесения полимерною защитного панрнтия и барабану йад

намотки

Рисунок 1.3 - Схема непрерывного изготовления стекловолокна

двухтигельным методом 20

Если выходное отверстие внутреннего тигля находится близко к выходному отверстию внешнего тигля, то получающаяся заготовка и последующее стекловолокно имеют профиль показателя преломления, близкий к ступенчатому. Поэтому такой способ называют способом тигель-расплав-фильера-квазиступенчатый (ТРФ-кс) [7].

Метод называют тигель-расплав-фильера-штабик-оболочка (ТРФ-ШО) [7] для случая, когда волокно не вытягивают непосредственно на этой же установке, а ограничиваются лишь изготовлением заготовок.

Если внутренний тигель такой установки не заполнен стеклом, то образуется трубка. В этом случае метод почти эквивалентен однотигельному методу ТРФ-Т, за исключением того, что в данном случае вместо кольцевой фильеры применяется сквозной внутренний тигель. Это может иметь некоторое технологическое значение, например, внутренний тигель можно использовать для подачи хладагента. По этой причине на рисунке 1 этот метод представлен дважды.

В установке, изображенной на рисунке 1.3, стекло сердцевины, прежде чем покинуть внешний тигель, некоторое время движется в непосредственном контакте с окружающим его стеклом оболочки, что приводит к размыванию границы раздела между ними вследствие процессов диффузии компонентов. Таким образом, профиль показателя преломления становится сглаженным — получается градиентное стекловолокно (способ ТРФ-гр) [7].

Следует заметить, что полностью непрерывное изготовление стекловолокна двухтигельным методом — весьма сложная задача, требующая тщательной настройки аппарата и непрерывного регулирования процесса. Достаточно указать на то, что зона вытяжки находится при более низких температурах, чем зона истечения, поэтому тепловой режим требует точного контроля (например, приходится принудительно охлаждать днище фильер [14]).

Поскольку вытекание стекла из фильеры в данном способе происходит, в основном, под действием гидростатического давления, весьма важным является способ непрерывного заполнения тиглей стеклом. Применяются следующие основные способы подачи материала в тигли:

1) непрерывное питание нарезками-кубиками;

2) залив расплавами стекол;

3) загрузка тиглей вырезанными блоками стекла с отполированной поверхностью, повторяющей форму тиглей;

4) загрузка штабиков медленным вводом их в расплав.

Первый способ во избежание сохранения пузырьков воздуха в расплавах стекол вынуждает вести процесс при повышенных температурах, отвечающих вязкости стекол порядка 50-500 Па-с. Это приводит к нарушению однородности исходных стекол, образованию микросвилей и, как следствие, — к большим световым потерям в изготовленных ВС.

Во втором способе возникают трудности залива расплавленного стекла в малый объем тиглей вследствие высокой вязкости расплава, при заливе захватываются пузырьки воздуха и также образуются микросвили. Поэтому оба указанных способа заполнения тиглей приемлемы только для изготовления дешевых ВС невысокого качества.

В третьем способе заполнения тиглей нагрев блока стекла проводят до достижения вязкости более высокой, чем в первом способе (1,5-2)-\03Па-с. Нагрев ведут в электрических печах сопротивления, индукционных или высокочастотных. Этот способ, обеспечивая высокую однородность вытягиваемых стекол, позволяет уменьшить избыточные технологически обоснованные светопотери. Его недостатком является периодичность процесса вытягивания ВС.

Для обеспечения непрерывного процесса вытягивания ВС большой

протяженности применяется четвертый способ подачи стекол в тигли:

штабики с тщательно очищенной поверхностью медленно по вертикали

22

вводятся в расплавы в тиглях через предварительно сформированные на свободной поверхности вогнутые мениски, что препятствует втягиванию в расплавы газовых пузырей (рисунок 1.3).

Особенности вытягивания ВС тигельно-фильерным способом состоят в требовании высокой чистоты тиглей и атмосферы печи. Поэтому в качестве материала тиглей используют высокочистую платину или высокочистый кварц, а двойной тигель заключают в кварцевый контейнер с атмосферой из высокоосушенного инертного газа. Высокая степень осушки (например, адсорбционным методом) нужна потому, что при захвате расплавом стекол воды резко возрастают светопотери в ВС.

1.2.3.3 Двухтигельные методы для вытяжки волокон из расплавов стекол, склонных к кристаллизации и содержащих макрокомпонент с повышенной летучестью

В настоящее время именно тигельный метод является наиболее эффективным для получения волокон из стекол, склонных к кристаллизации и содержащих макрокомпонент с повышенной летучестью (халькогенидные и теллуритные стекла). Это связано с тем, что метод двойного тигля лишен недостатков, указанных в подпунке 1.2.2. настоящей главы, которые делают проблематичным получение световодов из теллуритных и халькогенидным стекол методами штабик-трубки и парофазного осаждения. Вместе с тем, применение тигельных методов проблематично для стекол, склонных к кристаллизации [11]. В связи с этим ведутся исследования по усовершенствованию конструкции тиглей и изучению процессов и режимов, происходящих при вытяжке расплава. Новый вариант конструкции двойного тигля был реализован в патенте № 2401815 «Двойной тигель и способ изготовления волоконных световодов из стекол, склонных к кристаллизации и содержащих макрокомпонент с повышенной летучестью»). Данная установка вытяжки позволила изготовить световоды из расплавов

теллуритных стекол с оптическими потерями 0,1-0,2 дБ/м на длине волны 2,0-2,3 мкм.

Схема применяемой установки представлена на рисунке 1.4. Устройство состоит из внутренней емкости 1 для стекла сердцевины с входными и выходными отверстиями 2 и 3 соответственно и внешней емкости 4 для стекла оболочки с входными и выходными отверстиями 5 и 6 соответственно. Нижняя часть внутренней 1 и внешней 4 емкостей имеют форму усеченных конусов, которые заканчиваются отверстиями 3 и 6 соответственно, через которые вытягивают световод. Внутренняя и внешняя емкости закреплены на двух позиционных столах (позиционерах), находящихся один над другим. На верхнем трехкоординатном позиционере 7 закреплена внутренняя емкость 1, на нижнем позиционере 8 закреплена внешняя емкость 4. С помощью трехкоординатного позиционера 7 по координатам А-А и В-В устанавливается коаксиальность выходных отверстий 3 и б внутренней и внешней емкостей. С помощью микрометрического винта 9 трехкоординатный позиционер 7 по координате С-С может подниматься до полного вывода внутренней емкости 1 из внешней емкости 4 и опускания внутренней емкости до заданного расстояния между выходными отверстиями 3 и 6 внутренней и внешней емкостей для создания рабочей конфигурации фильеры.

Рисунок 1.4- Схема двойного тигля для изготовления волоконных световодов из стекол, склонных к кристаллизации и содержащих

макрокомпонент с повышенной летучестью Способ осуществляют с использованием такого следующим образом. Стекло сердцевины в форме сплошного стержня загружают через отверстие 2 при снятой гайке 10. Загрузку стекла оболочки также в форме сплошного стержня осуществляют через отверстие 5 при полном выводе внутренней емкости 1 из внешней емкости 4 с помощью микрометрического винта 9. По окончании загрузки внутренняя емкость опускается вниз так, чтобы выходное отверстие 3 внутренней емкости находилось над верхней частью стекла оболочки, а стекло сердцевины напротив нагревателя 11а. Осуществляют продувку рабочего газа через патрубок 12 для удаления влаги,

25

а при необходимости создания инертной атмосферы во внутренней емкости и через выходное отверстие 3 во внешней емкости 4. Далее, включают нагреватели 11а и 116, стекла разогреваются до текучего состояния и внутренняя емкость 1 погружается в расплав стекла оболочки с помощью микрометрического винта 9 до создания рабочей конфигурации фильеры с одновременной герметизацией пространства между внутренней и внешней емкостями с помощью уплотняющей резиновой прокладки 13 и конусной частью гайки 14. Чтобы избежать преждевременного вытекания расплава стекла оболочки при погружении внутренней емкости, отверстие 6 внешней емкости закрывают пробкой 15. Перед началом формирования «луковицы» и вытягивания световода убирают пробку 15, через патрубки 12,16 с помощью регуляторов давления 17, 18 устанавливают необходимые давления рабочего газа на расплавы стекол сердцевины и оболочки. Через выходное отверстие 3 внутренней емкости 1 вытекает расплав стекла сердцевины, через выходное отверстие 6, обволакивая расплав стекла сердцевины, вытекает расплав стекла оболочки, образуя двухслойную «луковицу», которая перетягивается в световод с помощью вытяжного устройства. Соотношение между размерами диаметров сердцевины и оболочки волоконного световода определяется как диаметрами выходных отверстий внутренней и внешней емкостей двойного тигля, так и величинами давления газа над расплавами стекол сердцевины и оболочки. Внешний диаметр световода, диаметр оболочки контролируют бесконтактным измерителем диаметра волокна, диаметр сердцевины определяется измерением торца световода микроскопом. Конструкция тигля позволяет минимизировать время пребывания стекол в области температур с высокой скоростью образования кристаллов и их роста.

1.3 Обзор результатов по математическому моделированию гндро-

и термодинамических процессов при вытяжке волокон

Работы по моделированию процесса вытяжки оптоволокна проводятся

в течение примерно четырех десятилетий. Однако, в подавляющем

26

большинстве производилось моделирование получения ВС из расплавов кварцевых стекол. Данные по моделированию поведения расплавов теллуритного стекла при вытяжке волокон в литературе отсутствуют.

В числе первых исследователей численно и аналитически изучавших процесс вытяжки ВС был L. R. Glicksman и его сотрудники. Суть их работы заключалась в исследовании формирования волокна из расплава и процесса охлаждении волокна.[15,16].

U. С. Раек и R. В. Runk экспериментально и численно исследовали физическое поведение стекла в печи для вытяжки оптического волокна [17]. Используя очень простую модель излучения, они выполнили одномерный анализ импульсов, исходя из коэффициента теплообмена на поверхности волокна. Ими также была смоделирована форма луковицы для используемых условий.

G. М. Homsy и К. Walker проанализировали теплопередачу для вытяжки оптоволокна [18]. Они использовали неподвижную форму струи, заданную поверхностную мощность и аппроксимацию Росселадна для распространения излучения в расплаве, чтобы выполнить параметрическое исследование температурного распределения в луковице и области сужения волокна.

R.Sayles и В. Caswell [19] провели анализ методом конечных элементов, при этом для получения коэффициента теплопередачи на поверхности волокна использовался метод пограничного слоя.

Механизм формирования дефектов в оптических волокнах, образованных в процессе вытяжки был описан H.Hanafusa и Y. Hibino в [20], а в работе [21] обсуждается зависимость оптического поглощения от условий вытяжки.

Е.М. Дианов и др. использовали простую модель излучения для изучения влияния различных условий во время вытяжки волокна [22].

В. Н. Васильев [23] и М. R. Myers [24] численно исследовали процесс вытяжки с использованием модели удлинения материалов и переменной вязкости (остальные свойства считались постоянными). В [23] конвективный коэффициент теплопередачи от заготовки к газу определялся по эмпирическим данным для упрощенной геометрии в предположении алгебраической суперпозиции естественной и принудительной конвекции. М. R. Myers, напротив, пренебрег конвекцией; вместе с тем использованные им излучающие граничные условия были более реалистичными, чем в [23]. М. R. Myers [24], применяя приближенное выражение для теплопередачи посредством излучения, в рамках одномерной задачи смоделировал дефекты в волокне, вызванные возможными флуктуациями и нарушениями параметров процесса вытяжки [23].

Papamichail и Miaoulis [25] изучали конвекцию внутри печи, в предположении, что распределение температур на поверхности заготовки и струи задано. Для получения картины течения был использован коммерческий пакет программ. Однако передача тепла от струи к газу в [25] не была рассчитана.

Работа [26] посвящена моделированию нестационарных тепловых процессов, имеющих место при вытяжке волокон. Для моделирования вязкого течения струи использованы уравнения неразрывности, количества движения и энергии. Задача решалась в одномерной осесимметричной постановке, течение зависит только от осевой координаты и времени. Расчетная область задачи - внутренняя часть печи для вытяжки. Использован численный метод второго порядка точности, основанный на схеме Мак-Кормака. Авторами моделировались быстротечные возмущения на границах расчетной области, которые являются основным источником неоднородности. Установлено, что тепловые флуктуации на границах оказывают доминирующее влияние на диаметр волокна, в то время как

механические воздействия являются менее значимыми, что соответствует экспериментальным наблюдениям для полимерных волокон.

S. Н-К. Lee и Y. Jaluria в [27] моделировали процесс вытяжки с заданной формой луковицы, с учетом переменных свойствах волокна, вязкой диссипации и рассчитанного конвективного коэффициента теплопередачи. По [27] эффекты вязкой диссипации значительно влияют на зону сужения волокна. Кроме того, по результатам [27] тепловое излучение является доминирующим способом передачи тепла в волокне. Теми же авторами разработан численно-аналитический подход для расчета профиля волокна без применения некоторых упрощающих допущений, используемых предыдущими исследователями [28].

В [29] Roy Choudhury и Y. Jaluria выполнили численное исследование

транспортных явлений в печи для вытяжки оптоволокна. Рассматривается

течение потоков стекла и инертного газа в рамках модели ламинарного

осесиметричного течения. В модели учитывается теплопередача от струи к

потоку газа, осуществляемая совместно конвекцией и излучением. В

предшествующих работах, где учитывался сопряженный теплообмен,

конфигурация внешнего потока принималась относительно простой,

сонаправленной или противоположно направленной движению струи.

Вместе с тем, в практических ситуациях, внешний поток, как правило,

движется и с боков печи. Кроме того, в предшествующих работах не

учитывалось влияние частично закрытых диафрагм в верхней и нижней

частях печи. В работе [29] были рассмотрены указанные практические

аспекты. Авторами выполнен анализ влияния частично закрытых верхней и

нижней диафрагм на процесс, изучены конфигурации потоков, имеющих

место на практике. Результаты проверены путем сравнения с

экспериментальными данными. Установлено, что влияние скорости потока

на температурное поле и на интенсивность теплопередачи через поверхность

волокна является существенным, и, следовательно, влияет на профиль

29

луковицы. Расположение входа потока также оказывает сильное влияние на температурное поле и в результате на профиль струи. Эффект от диафрагм в общем потоке ощущается только локально. Детальный расчет показал, что может быть важным вклад сил тяжести и поверхностного натяжения, особенно для вытяжки в высокотемпературных печах. В работе представлен теоретический подход для расчета натяжения волокна в каждом поперечном сечении. Установлено, что только определенные комбинации скорости волокна и температуры печи допустимы для реализации процесса вытяжки. Из полученных результатов определены оптимальные конструктивные параметры, при реализации которых качество волокна может быть повышено.

В [30] те же авторы продолжают численные исследования тепловых

процессов в печи для вытяжки оптоволокна. Передача тепла от волокна к

инертному газу зависит от ряда параметров, включая скорость потока газа,

скорость вытяжки и тип газа. Таким образом, точное определение

конвективного коэффициента теплопередачи имеет важное значение. В

исследовании рассматривается полностью связанный, сопряженный процесс

переноса тепла в печи, исходя из случая ламинарного потока, который имеет

место в большинстве практических печей. Форма свободной поверхности

волокна в районе луковицы задается из экспериментальных данных. В

отличие от предыдущих исследований, граничная скорость определяется из

баланса сдвиговых напряжений на границе раздела стекла и газа.

Рассмотрены две разных конфигурации потока инертного газа -

сонаправленный и противоположно направленный течению струи. Для

случая сонаправленного потока установлено, что температура в струе и газе,

а также теплопередача, сильно зависят от скорости потока газа, радиуса печи,

распределения температуры на стенках печи, а также типа используемого

газа. При использовании противоположно направленного потока вблизи

струи формируется большая циркуляционная область. Благодаря наличию

зо

этой области, передача тепла от струи к газу снижается. Когда скорость газового потока увеличивается, толщина циркуляционного региона уменьшается.

Из полученных результатов выявлено, что на распределение температуры в заготовке и в струе и на передачу тепла от струи к газу существенное влияние оказывают используемые физические и технологические параметры. Распределение температур в струе влияет на концентрации дефектов и физические свойства оптического волокна.

Аналогичные выводы в части доминирующего влияния флуктуаций температуры стенок печи на качество волокна сделаны А. Ма\уагсй и К. РксЬиташ в [31]. Развита методология моделирования процесса вытяжки волокна, которая учитывает двумерную (2-0) модель течения, тепло- и массоперенос в процессе вытяжки волокна. В работе представлен параметрический анализ, зависимости индекса преломления, остаточного напряжения, максимального натяжения и концентрации дефектов от физических параметров и свойств материала.

В целом, по известным результатам математического моделирования вытяжки волокон можно сделать следующие выводы.

1. При исследовании течения при вытяжке волокон в значительной

части работ теплопередача учтена только в части излучения, эффекты

теплопроводности и конвективного теплопереноса не учитываются. Это

связано с приложениями проведенных исследований к процессам получения

световодов из расплавов кварцевых стекол, проходящих при температурах в

районе 1500° С. Рабочий диапазон температур при вытяжке из расплавов

(

теллуритных и халькогенидных стекол составляет 300-600° С и требует учета в процессах теплопередачи факторов теплопроводности и конвекции. Вклад же излучения в теплопередачу при вытяжке волокон расплавов теллуритных и халькогенидных стекол имеет высший порядок малости по сравнению с

вкладами от теплопроводности и конвекции.

31

2. Математическое моделирование процесса вытяжки проводилось в упрощенных одномерной или 2-0 осесимметричной постановках и, более того, зачастую, при некоторых дополнительных предположениях (задание формы луковицы или же температур на стенках печи и в некоторых зонах течения). Однако даже в этих постановках задач удалось установить связь тепловых и динамических характеристик потока расплава с конструктивными параметрами установки для вытяжки, исследовать влияние направления потока инертного газа на характер течения, установить влияние тепловых и механических флуктуаций на диаметр вытягиваемого волокна. Полученные результаты говорят о перспективности применения методов математического моделирования, особенно при решении задач вытяжки в 3-0 постановках, как для проектных задач создания установок вытяжки волокон, так и для задач физической диагностики оптических волокон,.

3. Результаты решения задач по моделированию вытяжки двухслойных волокон в литературе отсутствуют, т.е. как динамическое, так и тепловое взаимодействие струй расплавов сердцевины и оболочки теоретически не исследовано.

4. В литературе отсутствуют данные по применению методов математического моделирования для решения обратных задач определения с использованием результатов физических экспериментов для определения тепловых и вязкостных свойств расплавов стекол.

1.4 О применении технологий вычислительного эксперимента в

задачах вытяжки волокон

Применение вычислительного эксперимента способствует снижению

как финансовых, так и временных затрат при получении качественных

оптических волокон. Сами технологии вычислительного эксперимента

обладают, в известной степени значительной общностью с созданием

экспериментальной установки и проведением на ней физических

32

экспериментов. В вычислительном эксперименте построение геометрической и сеточной модели, выбор алгоритма решения транспортных уравнений, формирование разностных схем для конвективных и диффузионных членов, подбор граничных условий, являются аналогом разработки проекта и создания на его базе экспериментальной установки. Отладка методики вычислительного эксперимента с внесением корректирующих изменений в численные схемы, сеточную модель являются аналогом отладки экспериментальной установке с внесением в ее конструкцию соответствующих изменений. И наконец, получение самого математического решения-проведение вычислительных эксперимента с использованием многопроцессорных серверов и текущим контролем хода вычислительного эксперимента-является аналогией самого процесса физического эксперимента, проводимого на экспериментальной установке.

Представляются перспективными три направления системного применения технологий вычислительного эксперимента для решения различных задач вытяжки волокон. Во всех этих направлениях вычислительный эксперимент эффективно дополняет физический.

Первое направление - это использование подходов вычислительного эксперимента для решения обратных задач по определению физических свойств расплавов. Вычислительный эксперимент позволяет по результатам проведенных физических экспериментов определить не только физические свойства расплавов - вязкость, теплопроводность, теплоемкость, но и характер течения рассматриваемого расплава стекла при данной температуре.

Второе направление - использование результатов математического

моделирования для физической диагностики факторов, приводящих к

снижению качества получаемых в результатах вытяжки волокон.

Сопоставляя результаты физического эксперимента с вычислительными

экспериментами, и меняя условия вычислительных экспериментов, можно

установить факторы, результатом действия которых являются искажение

33

формы волокна в поперечном сечении, нарушение концентричности сердцевины, переменный по длине диаметр волокна и т. д. Вычислительный эксперимент дает возможность детально выявить роль каждого фактора, так или иначе влияющего на качество волокна: локальные и глобальные возмущения полей температур и скоростей расплава и окружающего расплав газа, нарушение механической осевой симметрии фильер оболочки и сердцевины и оболочки, флуктуации подаваемых на вход фильер давлений и т. д.

Третье направление вычислительного эксперимента - виртуальная отработка перспективных устройств для получения двухслойных волокон.

Вычислительный эксперимент позволяет на предпроектной стадии создания устройства оптимизировать его конструкцию исходя из максимального качества получаемых на нем волокон с учетом реальной точности выдерживания системами устройства заданных условий вытяжки, устойчивости процесса вытяжки по отношению к внешним возмущениям, а также физических характеристик, в первую очередь, вязкости, теплопроводности, теплоемкости тех расплавов, из которых на даннм устройстве будут вытягиваться волокна.

1.5. Формулировка задачи исследования

1. Разработка методик моделирования течения расплава стекла в фильере двойного тигля с применением технологий вычислительной гидродинамики на высокопроизводительных вычислительных узлах, выявление методами вычислительного эксперимента значимости факторов, оказывающих влияние на характер течения струи в процессе вытяжки волокна и качество получаемого волокна.

2. Разработка расчетно-экспериментальных методик для определения вязкости, теплопроводности и теплоемкости расплавов стекол в

температурном диапазоне, соответствующем рабочему диапазону температур получения волокон.

3. Определение с помощью разработанных расчетно-экспериментальных методик вязкостных и тепловых характеристик расплавов теллуритных стекол в диапазоне, соответствующем температурам получения оптоволокон из расплавов указанных стекол

4. Формирование новых способов получения заготовок одномодовых волокон,из расплавов теллуритных стекол, адаптированной к свойствам данных материалов.

Похожие диссертационные работы по специальности «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», 01.02.06 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Шабарова, Любовь Васильевна

Основные результаты диссертационного исследования состоят в следующем:

1. Разработана методика моделирования течения расплавов и воздуха в фильере двойного тигля с учетом границ раздела сред и сжимаемости воздуха в неоднородном температурном поле. Теплопередача в математической модели реализуется посредством конвекции и теплопроводности, режим течения - ламинарный. Исследование течения проведено как на моделях ньютоновской так и вязкопластической жидкостей. Температура струи расплава принципиально влияет на характеристики устойчивости течения расплава при вытягивании волокна из фильеры. В исследованных диапазонах температур охлаждение струи может быть рекомендовано для стабилизации диаметра получаемых в технологических процедурах вытяжки волокон.

2. Проведен ряд вычислительных экспериментов по течению расплавов в фильере двойного тигля с учетом локальных температурных неоднородностей, выявлена зона температурные возмущения в которой ведут к искажению формы двухслойной струи, и как следствие к снижению качества вытягиваемого волокна. Установлена возможность управления формой поперечного сечения струи путем задания неоднородного температурного поля в указанной зоне.

3. Выполнены исследования по влиянию геометрических дефектов двойного тигля на форму получаемой двухслойной струи. Обнаружено два дефекта, наличие которых недопустимо в тиглях при осуществлении процедуры вытяжки: наклон контейнера сердцевины относительно оси симметрии и выпуклость на контейнере оболочки.

4. Осуществлено моделирование узла нагрева фильеры тигля для вытяжки теллуритных световодов. По данному направлению работ выявлена неоднородность теплового поля в расплаве и в газовой среде вокруг фильеры при используемой конструкции фильеры тигля и печи нагрева тигля. В течении прилегающего к расплаву газа имеет место вихреобразование, ведущее к нестационарности процесса вытяжки волокон из тигля. Установлены пути снижения интенсивности протекания обнаруженных процессов.

5. Методами численного моделирования исследован процесс погружения фильеры сердцевины в оболочечный расплав с использованием принципа обращения движения. Выявлено, что вблизи фильеры сердцевины существует воздушная прослойка, оболочечный расплав и воздух попадают в фильеру сердцевины через ее выходную границу. Определены пути изменения местной геометрии фильеры сердцевины, реализация которых позволит уменьшить объем воздушной прослойки. Установлено, что для минимизации попадания расплава оболочки в контейнер сердцевины, оболочечный расплав должен быть прогрет значительно сильнее, чем расплав сердцевины, скорость погружения фильеры должна быть, насколько это возможно, минимальной.

6. Разработана и верифицирована расчетно-экспериментальная методика определения вязкости расплавов. Получена зависимость вязкости от температуры для стекол состава (Те02)о,70^0з)о,22(Ьа20з)о,о8 в рабочем диапазоне температур 783-833 К.

7. Разработана и верифицирована расчетно-экспериментальная методика определения теплоемкости и теплопроводности расплавов. По разработанной методике определены величины удельной теплопроводности и удельной теплоемкости в рабочем диапазоне температур для стекол состава ((Те02)о,7о^Оз)о,22(Ьа2Оз)о,о8.

8. Методами вычислительного эксперимента исследованы два новых устройства по получению оптических волокон из расплавов стекол, склонных к кристаллизации и содержащий летучий макрокомпонент. Обоснована перспективность одного из них и показана способность получения с его помощью высококачественных одномодовых волокон с четкой границей сердцевины и оболочки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шабарова, Любовь Васильевна, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дианов Е.М. Новые оптические материалы. Результаты фундаментальных исследований.// Вестник РАН, 2009, т.79, № 12, с. 1059-1081.

2. Plotnichenko V.G., Sokolov V.O., Koltashev V.V. et al. Raman band intensities of tellurite glasses // Opt. Lett. 2005. V. 30. P. 1156.

3. Plotnichenko V.G., Koltashev V.V., Sokolov V.O. et al. Spectroscopic properties of new BaBi2-Ba0-Te02 tellurite glasses for fibre and integrated optics applications // Journ. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. P. 15404.

4. Кабель-news Рынок оптического кабеля// 2008, № 8, с. 14-19.

5. Р.Р.Убайдуллаев. Волоконно-оптические сети//ЭКО-ТРЕНДЗ, М., 2001

6. Дж. Гауэр. Оптические системы связи// - М.: Радио и связь, 1989, - 504 с.

7 JI.M. Андрушко, В.А. Вознесенский, В.Б. Каток и др. Справочник по волоконно-оптическим линиям связи//К.: Техника, 1988, 239 с.

8 A.M. Кутепов, А.А. Макеев, И.В. Чепура Технология производства волоконно-оптических материалов как часть химической технологии// Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства, № 1, 1998, с. 1628.

9. Fiber Optic Cables by G. Mahlke., P. Gossing, 1993 by Siemens Aktiengesellschaft, Berlin and Munich.

10. Лобанов А.С. Получение стекол системы Те02—W03 плазмохимическим окислением хлоридов теллура и вольфрама// Лобанов А.С., Снопатин Г.Е., Кутьин A.M., Дорофеев В.В., Поляков B.C., Сучков А.И., Чурбанов М.Ф., Плотниченко В.Г., Колташев В.В., Дианов Е.М.// Физика и химия стекла т. 38 №3, с. 328-336.

11. J. Nishii. Recent advances and trends in chalcogenide glass fiber technology/ J. Nishii, S. Morimoto, I. Inagawa, R. Iizuka, T. Yamashita, T. Yamagishi// Journal of Non-Crystalline Solids Volume 140, 1992, p. 199-208.

171

12. F Smektala. TeX-glass infrared optical fibers delivering medium power from a C02 laser/ F Smektala, K Le Foulgoc, L Le Neindre, C Blanchetiere, X.H Zhang, J Lucas// Optical materials #13, 1999, Pages 271-276

13. O'Donnell, Matthew David. Tellurite And Fluorotellurite Glasses For Active And Passive Fibreoptic Waveguides// PhD thesis, University of Nottingham,. 2004, 397 p.

14. F.V.DiMarcello, C.R. Kurkjian, J.C. Williams. Fiber Drawing and Strength Properties // Optical Fiber Communications, V. 1, Fiber Fabrication, Ed. Tingye Li, AcademicPress, 1985, p. 179-248.

15. L. R. Glicksman. The Dynamics of a Heated Free Jet of Variable Viscosity Liquid at Low Reynolds Numbers//J. Basic Eng. 90, 1968, pp. 343-354

16. L. R. Glicksman. The cooling of glass fibers// Glass Technology, vol.9, № 5, p.131.

17. U. C. Paek and R. B. Runk, Physical behavior of the neck-down region during furnace drawing of silica fibers// J. Appl. Phys. 49, 1978, pp. 4417-4422.

18. Homsy G.M., Walker K.-Glass Technology, 1979,20, № 1, P. 20-26

19. R. Sayles, B.Caswell. A Finite Element Analysis of the Upper Jet Region of a Fiber Drawing Flow Field// Int. J. Heat Mass Transfer, 27, 1984, pp. 57-67.

20. H.Hanafusa, Y. Hibino, and F. Yamamoto. Formation mechanism of drawing-induced E' centers in silica optical fibers// J. Appl. Phys. 58, 1985, 13561361.

21. Y. Hibino, H. Hanafusa, and S. Sakaguchi, Drawing condition dependences of optical absorption and photoluminescence in pure silica optical fibers// Appl. Phys. Lett. 47,1985, pp. 1157-1159.

22. E. M. Dianov, V. V. Kashin, S. M. Perminov, V. N. Perminova,S. Y. Rusanov, and V. K. Sysoev. The effect of different conditions on the drawing of files from perform// Glass Technology, 1988, v29, № 6, pp 258-262.22.

23. V.N. Vasilijev, G.N. Dulnev, and V.D. Naumchic, The Flow of a Highly Viscous Liquid With a Free Surface // Glass Technology, 1989, Vol. 30, No. 2, 83 -90.

24. Matthew R. Myers. A model for unsteady analysis of perform drawing// AIChE J. 1989, 35, pp.592 - 602.

25. Papamichael and I.N. Miaoulis, Mixed-convection effects during the drawing of optical fibers// Submol. Glass Chem. Phys. 1991, 1590, pp. 122 -130.

26. M.Gregory Forest and Hong Zhou. Unsteady analyses of thermal glass fibre drawing processes// Euro. Jnl of Applied Mathematics, 2001, vol. 12, pp. 479 -496.

27. S. H-K. Lee and Y. Jaluria.The effects of geometry and temperature variations on theradiative transport during optical fiber drawing// J. Mater. Proc. Mfg. Sci., 1995. Vol. 3, pp. 317-331.

28. Lee, S.H.-K. and Jaluria, Y. Effects of streamwise convergence in radius on the laminar forced convection in axisymmetric ducts// Numerical Heat Transfer, Vol.

28. Part A, pp. 19-38, 1995.

29. Roy Choudhury and Y. Jaluria. Practical aspects in the drawing of an optical fiber//J. Mater. Res., 1998,. Vol. 13, pp. 483-493.

30. Roy Choudhury and Y. Jaluria. Thermal transport due to material and gas flow inafurnace for drawing an optical fiber// S J. Mater. Res., Vol. 13, pp. 494-503, 1998.

31. Andryas Mawardi and Ranga Pitchumani. Numerical simulation sofan optical fiber drawing process under uncertainty// Journal of Lightwave Technology, 2008, v. 26, pp. 580 - 587.

32. ANSYS CFX Tutorial Reference. ANSYS Inc., 2006.

33. Ландау Л.Д., Лифшиц, M. Гидродинамика - М., Наука, 1986.

34. Ландау Л.Д.. Лифшиц Е.М. Статистическая физика, ч.1 - М., Наука, 2002.

35. Хачкурузов Г.А. Основы общей и химической термодинамики. - М., Высшая школа, 1979.

36. Астарита Д., Маручи Д. Основы гидромеханики неныотоновских жидкостей - М., Мир, 1978.

37. Литвинов В.Г. Движение нелинейно-вязкой жидкости. - М., Наука, 1982.

38. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей// М.:Мир, 1991.

39. Пейре Р., Тейлор Т. Вычислительные методы в задачах механики жидкости. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986.

40. Ferziger, J. Н. Computational Methods for fluid Dynamics / J. H. Ferziger, M. Peric - Berlin: Springer, 2002. - 3., rev. ed. - 423 p.

41. Rhie, C.M. and Chow, W.L. A Numerical Study of the Turbulent Flow Past an Isolated Airfoil with Trailing Edge Separation, AIAA Paper 82-0998, 1982.

42. Majumdar, S. Role of Underrelaxation in Momentum Interpolation for Calculation of Flow with Nonstaggered Grids / S. Majumdar // Numer. Heat Transfer - Taylor and Francis Ltd, 1988 - Vol. 13 - PP.125-132.

43. Harlow, F.H. Numerical study of large amplitude free surface motion / F.H. Harlow, J.E. Welch // Phys. Fluids - American Institute of Physics, 1966. - Vol. 9. - PP.842-856.

44. Станкова, E. H. Многосеточные методы. Введение в стандартные методы / Е. Н. Станкова, М. А. Затевахин. - СПб. : Институт высокопроизводительных вычислений и информационных систем, 2003. - 47 с.

45. S.V. Patankar. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Publishing Corp., 1980.

46. Самарский A.A. Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука, 1992.

47. Войткунский Я.И., Фаддеев Ю.И., Федцевский К.К. Гидромеханика - Л., Судостроение, 1982.

48. Чурбанов М.Ф., Снопатин Г. Е., Шапошников Р. М., Шабаров В.В., Плотниченко В. Г. Вязкость по Бингаму и предельное напряжение сдвига расплава стекла (ТеОг)о,78 (\\Юз)о,2г/Неорганические материалы, 2007, т. 43, №8, с. 1-3.

49. Андерсон Д., Таннехил Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т.: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.

50. Зимин C.B. Стеклодувное дело и стеклянная аппаратура для физико-химического эксперимента. М.: Химия, 1974. - 328 с.

51. Справочник по композиционным материалам, под ред. Дж. Любина, пер. с англ., кн. 1, М., 1988. В.Н. Тюкаев.

52. Материалы для электротермических установок. М.Б. Гутмана МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 2006

53. Чурбанов М.Ф., Снопатин Г. Е., Шапошников Р. М., Шабаров В.В., Плотниченко В. Г. Вязкость по Бингаму и предельное напряжение сдвига расплава стекла (Те02)о,78 (\\Ю3)0,22/Неорганические материалы, 2007, т. 43, №8, с. 1-3.

54. Lyubov Shabarova, Sergey Smetanin, Gennady Snopatin, Mikhail Churbanov,Vasiliy Shabarov. Viscosity of (Te02)0.7 - (W03)0.22 - (La203)0.08 Tellurite Glass Melt in 780 - 830 К Temperature Range. Journal of Materials Science and Engineering A, 2012, 2(12), p. 779-785.

55. Чурбанов М.Ф., Снопатин Г.Е., Шапошников P.M., Жидков A.B., Любимов A.K., Сандалов В.М., Шабаров B.B. Математическое моделирование движения сплошной среды при вытягивании световода через фильеру/Вестник ННГУ. Серия Механика/ Н.Новгород: Изд-во ННГУ. - 2004. Вып. 1(6).- С. 104-115.

56. Смирнова H. Н., Кандеев К. В., Кутьин А. М., Чурбанов М. Ф., Гришин И. А., Маркин А. В., Быкова Т. А. Термодинамические свойства стекол состава (Те02)п (W03)i.n в области 0-650К/Неорганические материалы, 2007, т. 43, №10, с. 1273-1280.

57. Кутьин А. М., Поляков В. С., Гибин А. М., Чурбанов М. Ф. Теплопроводность стекла состава (ТеОг)о,7 (^Оз)о,2 (Ьа2Оз)0,¡/Неорганические материалы, 2006, т. 42, №12, с. 1521-1524.

58. Чернов A.A., Гиваргизов Е.И., Багдасаров Х.С., Демьянец JI.H., Кузнецов В.А., Лобачев А.Н. Современная кристаллография. Образование кристаллов -М., Наука, 1980.

59. Немилов С. В. Вязкость и упругие свойства расплавов и стёкол системы As - S и их валентная структура // Физика и химия стекла. 1979. Т. 5, №4. С. 398 - 409.

60. Я. И. Френкель. Кинетическая теория жидкостей. Ленинград, Наука, 1975

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.