Математическое моделирование тепломассопереноса в газе и кварцевой трубке при процессе MCVD
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.19, 2026 года.
Бесплатный доступ
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.
Короткий адрес: https://sciup.org/143186126
IDS: 143186126 | УДК: 532.5 | DOI: 10.7242/1999-6691/2026.19.2.15
Mathematical modeling of heat and mass transfer in gas and quartz tube during the MCVD process
The article investigates the processes occurring in the manufacture of optical fiberpreforms, in particular, the process of heat and mass transfer during alloying of quartz tubular blanks by the method of modified chemical vapor deposition (MCVD). To evaluate heat and mass transfer in a quartz tube and a pumped gas, a mathematical model has been developed. It takes into account the inhomogeneous heating of the tube by means of a gas burner, free convection and radiation from the outer surface of the tube, as well as forced convection and absorption of radiation in the pumped gas. The description of heat and mass transfer is based on the Navier-Stokes equations, and the equations for heat energy transfer with consideration of radiation and continuity for a compressible medium. The model takes into account the temperature dependences of the thermophysical properties of the pumped gas and the quartz tube. The problem is solved in the frame of reference associated with a rotating tube. The numerical implementation of the model is performedin a three-dimensional formulation using the COMSOL Multiphysics software package. The verification of the model is carried out usingthe problems with known solutions, such as pumping gas through a uniformly heated tube, thermal conductivity, and radiation in a cavity filled with absorbing gas. The adequacy of the model is shown by comparing the calculated and experimental profilesof the tube surface temperature generatedduring the technological process. The error of modeling the temperature field is no more than 1.1%. The results of modeling the effect of the flow rate of the pumped gas and the supplied heat rate on the temperature and velocity fields in the tube and gas are presented. It has been shown that the supplied power input affects the absolute values of temperature, but does not change the structure of the velocity and temperature fields. The gas flow rate affects both the absolute values and the structure of the fields. The boundaries of the parameters providing the required conditions of the MCVD process are defined. The ways of refining the mathematical model are outlined.
