Математическое моделирование тепломассопереноса в газе и кварцевой трубке при процессе MCVD
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2026.19.2.15Ключевые слова:
парофазное осаждение, вынужденная конвекция, свободная конвекция, тепловое излучение, верификация моделиАннотация
Исследуются процессы, протекающие при изготовлении заготовок оптических волокон, в частности, процесс тепломассопереноса при легировании кварцевых трубчатых заготовок по технологии модифицированного химического осаждения из паровой фазы (MCVD). Разработана математическая модель тепломассопереноса в кварцевой трубке и прокачиваемом газе, учитывающая неоднородный нагрев трубки от газовой горелки, свободную конвекцию и излучение с внешней поверхности трубки, а также вынужденную конвекцию и поглощение излучения в прокачиваемом газе. Описание тепломассопереноса построено на уравнениях Навье-Стокса, переноса тепловой энергии с учетом излучения и неразрывности для сжимаемой среды. В модели учтены зависимости от температуры теплофизических свойств прокачиваемого газа и кварцевой трубки. Задача решается в системе отсчета, связанной с вращающейся трубкой. Численная реализация модели выполнена в трехмерной постановке в программном комплексе COMSOL Multiphysics. Модель верифицирована на задачах с известными решениями, таких как прокачка газа через однородно нагреваемую трубку, теплопроводность и излучение в полости, заполненной поглощающим газом. Показана адекватность модели путем сопоставления расчетного и экспериментального профилей температуры на поверхности трубки во время технологического процесса. Погрешность моделирования температурного поля составляет не более 1.1%. Приведены результаты моделирования влияния расхода прокачиваемого газа и подводимой тепловой мощности на температурные и скоростные поля в трубке и газе. Выявлено, что подводимая мощность сказывается на абсолютных значениях температуры, но не меняет структуру полей скорости и температуры. Расход газа влияет как на абсолютные значения, так и на структуру полей. Определены диапазоны параметров, обеспечивающих требуемые условия процесса MCVD. Намечены пути развития математической модели.
Скачивания
Библиографические ссылки
Иванов Г.А., Первадчук В.П. Технология производства и свойства кварцевых оптических волокон. Пермь: изд-во Пермского нац. исслед. политехнического ун-та, 2011. 171 с.
Nagel S.R., MacChesney J.B., Walker K.L. An Overview of the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process and Performance // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1982. Vol. 30, no. 4. P. 305–322. DOI: 10.1109/TMTT.1982.1131071
Kim K.-S., Pratsinis S.E. Manufacture of optical waveguide preforms by modified chemical vapor deposition // AIChE Journal. 1988. Vol. 34, no. 6. P. 912–921. DOI: 10.1002/aic.690340603
Pal M., Sen R., Paul M.C., Bhadra S.K., Chatterjee S., Ghosal D., Dasgupta K. Investigation of the deposition of porous layers by the MCVD method for the preparation of rare-earth doped cores of optical fibres // Optics Communications. 2005. Vol. 254, no. 1–3. P. 88–95. DOI: 10.1016/j.optcom.2005.05.022
Первадчук В.П., Владимирова Д.Б., Дектярев Д.Н. Оптимальное управление тепловым источником воздействия в процессах парофазного осаждения // Проблемы управления. 2020. № 6. C. 71–80. DOI: 10.25728/pu.2020.6.7
Гнедовец А.Г., Фоминский В.Ю., Романов Р.И., Мацнев Н.П. Компьютерное моделирование роста тонкопленочных покрытий, сформированных импульсным лазерным осаждением при разных давлениях инертного газа // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 9. C. 3–9.
Liu W., Liu D., Zhang Y., Li B. Numerical investigation of particle size distribution, particle transport and deposition in a modified chemical vapor deposition process // Powder Technology. 2022. Vol. 407. 117616. DOI: 10.1016/j.powtec.2022.117616
Da Silva R.C., De Morais P.J.D., Carvalho A., De Rossi W., Motta C.C. Numerical simulation on modified chemical vapor deposition (MCVD) thermal flow field // 2022 SBFoton International Optics and Photonics Conference (SBFoton IOPC). 2022. P. 1–5. DOI: 10.1109/SBFotonIOPC54450.2022.9993108
Walker K.L., Geyling F.T., Nagel S.R. Thermophoretic Deposition of Small Particles in the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process // Journal of the American Ceramic Society. 1980. Vol. 63. P. 552–558. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1980.tb10763.x
Коробейников А.Г., Гатчин Ю.А., Дукельский К.В., Тер-Нерсесяец Е.В. Проблемы производства высокопрочного оптического волокна // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. Т. 13, № 2. C. 18–23.
Богатырев В.А., Бубнов М.М., Вечканов Н.Н., Гурьяновa А.Н., Диановa Е.М., Коновa А.С., Лаврищевa С.В., Лаптев А.Ю. Высокопрочные волоконные световоды, изготовленные методом химического осаждения из газовой фазы // Квантовая электроника. 1982. Т. 9, № 7. C. 1506–1509.
Утепбергенов И.Т., Юсупова Г.М. Проблемы применения многомодовых оптических волокон в современных волоконно-оптических системах передачи // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева. 2010. № 3. C. 119–122.
Cheung C.K.W., Fletcher D.F., Barton G.W., McNamara P. Simulation of particle transport and deposition in the modified chemical vapor deposition process // Journal of Non-Crystalline Solids. 2009. Vol. 355. P. 327–334. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2008.11.009
Тюрин М.П., Бородина Е.С. Гидрогазодинамика. Практикум. Часть 2. М.: РГУ им. А. Н. Косыгина, 2018. 147 с.
Фокеева Л.Х. Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика. Часть 2. Гидродинамика. Казань: Казан. ун-т, 2017. 85 с.
Александров Д.В., Зубарев А.Ю., Искакова Л.Ю. Введение в гидродинамику. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2012. 112 с.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
Бояршинов М.Г., Балабанов Д.С. Вычислительное моделирование движения сжимаемой среды, генерируемой точечным источником // Вычислительная механика сплошных сред. 2010. Т. 3, № 3. C. 18–31. DOI: 10.7242/1999-6691/2010.3.3.24
Рогожкин С.А., Аксенов А.А., Жлуктов С.В., Осипов С.Л., Сазонова М.Л., Фадеев И.Д., Шепелев С.Ф., Шмелев В.В. Разработка модели турбулентного теплопереноса для жидкометаллического натриевого теплоносителя и ее верификация // Вычислительная механика сплошных сред. 2014. Т. 7, № 3. C. 306–316. DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.3.30
Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.
Bianco N., Manca O., Nardini S., Tamburrino S. A Numerical Model for Transient Heat Conduction in Semi-Infinite Solids Irradiated by a Moving Heat Source // Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Conference. Hannover, 2008. P. 1–7.
Park K.S., Choi M. Conjugate heat transfer and particle deposition in the modified chemical vapor deposition process: Effects of torch speed and solid layer // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1994. Vol. 37, no. 11. P. 1593–1603. DOI: 10.1016/0017-9310(94)90175-9
Владимирова Д.Б., Хуснуллина М.Х. Моделирование нагрева кварцевой заготовки в процессе MCVD с использованием ComsolMultiphysics // Наука и бизнес: пути развития. 2014. № 8. C. 92–96.
Туричин Г.А., Лопота В.А., Абдурахманов А.А., Сысоев В.К. Математическое моделирование нагрева и испарения кварцевого стекла при лазерном синтезе нанопорошков // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 5. C. 49–54.
Первадчук В.П., Владимирова Д.Б., Дектярев Д.Н., Пестерев А.А. Моделирование нагрева кварцевых труб подвижным источником воздействия для решения задачи управления процессом MCVD // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 9–2. C. 76–82. DOI: 10.18454/IRJ.2016.51.092
Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 721 с.
Никулин И.Л. Математическое моделирование поведения металлических расплавов в электромагнитных полях и очистки их поверхности от неметаллических включений: дис. … канд. / Никулин И. Л. Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2023. 322 с.
Sun Y., Zheng S., Jiang B., Tang J., Liu F. One-dimensional P1 method for gas radiation heat transfer in spherical geometry // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 145. 118777. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118777
Карасев Т.О., Теймуразов А.С., Перминов А.В. Численное исследование теплоотдачи стенки титанового реактора при воздушном охлаждении // Вычислительная механика сплошных сред. 2020. Т. 13, № 4. C. 424–436. DOI: 10.7242/1999-6691/2020.13.4.33
Карякина Е.Д. Разработка технологического процесса транспортировки сжиженного природного газа по полимерным трубопроводам: дис. … канд. / Карякина Е. Д. СПб: Санкт-Петербургский горный университет, 2023. 120 с.
Казанцева Н.С., Зиннатуллин Н.Х. Конвективный теплообмен в круглой трубе // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17, № 3. C. 77–80.
Bejan A. Convection heat transfer. John Wiley & Sons, Inc., 2013. 704 p.
Cintolesi C., Nilsson H., Petronio A., Armenio V. Numerical simulation of conjugate heat transfer and surface radiative heat transfer using the P1 thermal radiation model: Parametric study in benchmark cases // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 107. P. 956–971. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.11.006
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2026 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
