2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Обозначения........................................................3
-ведение...........................................................4
ЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
§1. Типы волокон и особенности распространения сигнала.............8
2. Проблемы моделирования профиля показателя преломления.........15
ЛАВА 2. КОНВЕКТИВНАЯ МОДЕЛЬ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК В МСVI)-ТЕХНОЛОГИИ
1. Метод МСУО-его достоинства и недостатки.......................22
2. Основные уравнения конвективной модели........................30
3. Приближение Буссинеска........................................35
4. Решение уравнений модели методом разложения по малому параметру в
ервом приближении................................................36
ЛАВА 3. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ СОПРЯЖЕННОГО ТЕПЛООБМЕНА
1. Переход к переменному тепловому потоку........................42
2. Уравнения обрубленной модели..................................44
3. Вариационное решение задачи теплообмена.......................45
4. Особенности осаждения при переменном тепловом потоке..........50
ЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАДАННОГО ПРОФИЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
1. Принцип действия программного комплекса.......................53
2. Обсуждение результатов........................................66
А К ЛЮ ЧЕН ИК....................................................70
ИТЕРАТУРА........................................................72
РИЛОЖЕНИЯ........................................................81
3
ОБОЗНАЧЕНИЯ
2 - продольная координата;
(р - угол отсчитываемый от вертикали Уп У<?> У; - проекции скорости;
Л - теплопроводность газа; к - коэффициент термофореза; и- коэффициент кинематической вязкости;
// - коэффициент динамической вязкости;
О теплоёмкость твердой фазы;
СР- изобарная теплоёмкость несущего газа. р - плотность;
Р - давление;
g - ускорение силы тяжести;
/ - время;
Г-температура;
Тт - среднемассовая температура;
эффективность осаждения;
С - концентрация. а - коэффициент термодиффузии;
0 - угловая скорость вращения трубки;
Л/я - параметр закрутки потока;
1 - длина трубки;
Я - радиус трубки;
И - толщина стенки трубки; у - плотность теплового потока;
Q - объемный расход газовой смеси на входе в трубку; рт - коэффициент теплового объемного расширения; Ре, Ке, Рг - числа Пекле, Рейнольдса, Прандтля.
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время самой совершенной физической средой для передачи нформации, а также самой перспективной средой для передачи больших пото-ов информации на значительные расстояния считается оптическое волокно.
Одной из важнейших задач при производстве оптического волокна являет-я моделирование заданного профиля показателя преломления, что позволит олучать оптические волокна различного назначения: одномодовые, многомо-овые и другие, нашедшие широкое применение не только в кабельном телеви-ении, в линиях телефонной связи, но также и в волоконно - оптических датчи-ах.
В настоящее время одним из перспективных методов получения заготовок птического волокна является МСУЭ - технология. Ьолее 30 % всего произво-имого волокна - выпускается по этой технологии. Однако этот метод является дним из одним из дорогостоящих в силу своей малой эффективности (исполь-ование галогенидов 40-60%) и невысокой производительности (скорость осаж-ения 0,25-0,5 г/мин.), что стимулирует работы по его моделированию, с целью странения указанных недостатков.
Получение заданного профиля показателя преломления сопряжено со мно-ими трудностями. Эти трудности возникают еще на стадии производства заго-овки. Проблемы снижения уровень световых потерь в оптоволокне является чень актуальной и в настоящий момент. Область высокой оптической про-рачности твердотельного материала расположена между электронными и ко-сбатсльными переходами, определяющими соответственно коротковолновую длинноволновую границы пропускания. Величина минимума суммарных оп-ческих потерь для кварцевого стекла определяется двумя собственными ме-анизмами: рэлссвским рассеиванием и колебательным поглощением.
Адекватная физико-математическая модель, включающая основные управ-•ющие параметры, учитывающая вес эти потери, а также такие существенные
5
факторы как вращение опорной трубки, наличие массовой архимедовой силы, обуславливающей трехмерность течения, позволит прогнозировать ход осажде-ия частиц из парогазовой смеси, а, следовательно, и получение волокна с за-анным профилем показателя преломления, с учетом снижения потерь на рас-еивание.
Целью диссертационной работы являются моделирование управления про-ессом получения оптоволоконной заготовки с заданным профилем показателя реломления в рамках МСУТ)-технологии, оптимизация этого процесса на ос-ове численных экспериментов, выявление причин возникновения неоднород-ости показателя преломления.
Для решения этой задачи необходимо, оказалось, рассмотреть следующие опросы:
- получить приближенное аналитическое решение задачи сопряженного еплообмена в зависимости от управляемых теплофизических параметров;
- найти аналитическое выражение толщины осевшего слоя для переменно-о теплового потока в рамках расширенной конвективной модели МСУЮ-ехнологии;
- найти новые зависимости неоднородности показателя преломления, воз-икающие вследствие особенностей гидродинамики при осаждении частиц из арогазовой фазы;
- исследовать влияние теплофизических параметров на неоднородность оказателя преломления;
- разработать программный комплекс для численного моделирования за-анного профиля показателя преломления оптического световода;
- провести исследования по оптимизации теплофизических параметров, спользуемых при производстве заготовки для световодов.
Диссертационная работа выполнена на кафедре физики Кубанского госу-рственного технологического университета и связана с планом НИР универ-тста, входя в тему: “Исследование теплофизических и физико - химических
6
свойств гетерогенных систем и сложного тепломассообмена” /№ гоерегистра-ции 01860121359/.
Научная новизна.
Предложено приближенно-аналитическое решение сопряженной задачи еплообмсна, которое содержит реальные зависимости от управляемых теплофизических параметров процесса.
Получено аналитическое выражение толщины осевшего слоя частиц из па-огазовой фазы для переменного теплового потока в рамках расширенной кон-сктивиой модели МСУО-технологии.
Установлены новые зависимости неоднородности показателя преломления птического световода, возникающие вследствие особенностей гидродинамики онтинуума при осаждении.
Рассмотрено влияние теплофизических параметров на неоднородность по-азатсля преломления.
Предложена оригинальная программа для численного моделирования про-есса получения заданного профиля показателя преломления световода.
На основании предложенной модели проведены исследования по оптими-ации теплофизических параметров.
Автором выносится на защиту:
- приближенное аналитическое выражение для теплового потока, найден-ое вариационным методом из решения задачи сопряженного теплообмена;
- выражения для плотности массового потока, эффективности процесса саждения и толщины слоя осевших стекломатериалов, полученные на основа-ии конвективной модели парофазного осаждения;
- программная реализация процесса управления численным экспериментом о получению заданного профиля показателя преломления световода;
- найденные структурные неоднородности и неоднородности показателя реломления зависят от следующих теплофизических параметров: плотности сплового потока, концентрации реагентов, скорости газа на оси, скорости во-
7
дородно-кислородной горелки, угловой скорости вращения опорной кварцевой эубки, температуры окружающей среды и температуры смеси реагентов;
- оптимизированные вышеуказанные теплофизические параметры приво-ят к значительному повышению качества световода на стадии заготовки.
Практическая ценность работы - разработанное программное обеспечение ожет быть использовано для автоматизированного управления процессом поучения заготовок некоторых типов световодов. Оптимизированные теплофи-ические параметры управления позволят получать оптическое волокно с ми-имальными неоднородностями показателя преломления, а следовательно, с инимальными потерями на рассеивание.
Материалы отдельных разделов и диссертация в целом обсуждались на научно-методических семинарах и заседаниях кафедры физики Кубанского госу-арственного технологического университета и кафедры общей физики Кубан-кого госуниверситета (1998 - 2001 гг.); школе-семинарс молодых ученых и пециалистов “Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомаши-остроении” (г. Казань, 2000 г.); VIII Международной конференции “Матема-ика. Компьютер. Образование” но секции “Математические модели в химии, изике, биологии, экологии и медицине» (г. Пущиио, 2001 г.); XII школе се-инарс молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН .И. Леонтьева “Физические основы экспериментального и математического оделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических становках” по секции “Радиационный, сложный теплообмен и сопряженные дачи теплообмена” (г. Санкт - Петербург, 2001 г.); VI Международной кон-срснции “Экология и здоровье человека. Экологическое образование. Мате-атические модели и информационные технологии” по секции “Магематиче-ие модели и информационные технологии” (г. Краснодар, 2001г.); IV Между-ародной теплофизической школе ”Теплофизические измерения в начале XXI ка” по секции “Автоматизированные системы научных исследований и про-тирования процессов тепло- и масеопереноса” (г. Тамбов, 2001г.).
8
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ §1. Типы волокон и особенности распространения сигнала
Волоконная оптика постепенно становится неотъемлемой частью научно-ехлического прогресса наравне с такими направлениями, как лазерная техника микроэлектроника. В настоящее время большая часть световодов использует-я для создания телефонных сетей связи (локальные и магистральные), причем оловина всех световодов - для создания локальных телефонных линий связи в основном городских длиной до 10 км) [9, 11, 13, 20, 38]. Находят свое приме-ение световоды также в кабельном телевидении, в подводных волокон но-птических линиях связи, в волоконно-оптических датчиках [3, 8]. В таблице .1 приведены основные направления использования световодов.
Таблица 1.1
Диапазон длин волн, мкм Необходимые длины, м 11собходимые оптические потери, дБ/км Современное состояние дел
Связь 2- 15 >5000 <0.1 Исследования
ередача мощного излучения 2-12 0.5-10 <300 Разработки
Датчики 2-25 1 - 100 <100 Разработки
Активные световоды 0.5-12 0.1 - 1 <100 Разработки
Наряду со световодами на основе кварцевого стекла изучались свойства и ругих высоко прозрачных твердотельных материалов и разрабатывались ме-оды получения из них волоконных световодов [1, 5, 10, 12, 13]. В основе всех аучных изысканий во главу ставился лишь один вопрос: как научиться управ-ять технологическими параметрами при производстве оптического волокна ля получения определенного профиля показателя преломления на стадии заго-овки. При этом оптические световые потери должны быть сведены к миниму-У-
В настоящий момент в мировой практике известны зри типа оптоволокон азрешающие в большей или меньшей степени указанным выше проблемам:
9
многомодовые волокна и их модификации, одномодовые волокна и волокна с двойным лучепреломлением.
Каждый из них обладает достоинствами и недос татками, поэтому их при-енение ограничивается устройствами определенного типа.
Многомодовые волокна по характеру распределения профиля показателя реломления делятся на два типа: градиентные и ступенчатые. Оба типа волок-а имеют диаметр сердечника порядка 50 мкм и большую (около 1%) относи-ельную разность коэффициентов преломления. Эти волокна отличаются про-тотой соединения с такими же оптическими волокнами и высокой эффектив-остыо соединения с источником света. Кроме того, ступенчатый профиль равнительно легко получить технологически.
В волокнах со ступенчатым профилем показателя преломления с увеличе-ием порядка моды скорость ее распространения уменьшается. Эту зависи-
ость можно представить в виде формулы: V = соэу/, где с - скорость света
вакууме. Гак как скорость распространения каждой моды, возбуждаемой при ходе в волокно зависит от ее порядка, то на выходе получается световой им-улье более широкий, чем на входе.
Авторы работы [8] рассчитали временную разность между модой самого ысокого порядка и модой самого низкого порядка. Эта разность выражается ормулой
де Ь - длина волокна;
относительная разность коэффициентов преломления, где П] - показатель реломления сердцевины, П2 - показатель преломления оболочки;
(1.1)
- Київ+380960830922