Численное моделирование термовязкопластических процессов при вытяжке волоконных световодов

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 проектно9 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).

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 тиглярезультатов применения методов определения свойств расплава для изучаемых материалова так же результаты по проектированию нового способа получения волоконного световода из расплавов теллуритных стекол.

В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.

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

.