光纤拉丝炉内部气体流场研究

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在光纤拉丝过程中,炉内温度分布情况是影响光纤质量的关键因素,而拉丝炉内部气体的温度和速度分布又是影响炉内温度分布的重要因素。这是因为气流的波动会导致炉内温度的波动,从而引起预制棒受热不均,进而导致光纤直径的波动、芯包比和折射率分布的改变,光纤缺陷由此产生。因此,研究拉丝炉内部的气体流场分布状况对于提高光纤质量有着重要的实际意义。受企业委托,本文应用流体力学软件FLUENT对光纤拉丝炉内部气体流场及拉丝炉相关部件的温度分布进行了理论建模和数值模拟,模拟结果与文献中的模拟结果及实测结果有着较好的一致性。本文的研究内容分为以下三部分:第一部分为基于三维拉丝炉几何模型的内部气体流场数值计算。模拟了气体从30个上部进气孔进入拉丝炉到延伸管底部气体出口区域内的流场分布,通过模拟得到了气体的速度场和温度场分布情况,发现了气体速度场在上部进气孔上、下部附近存在两个漩涡,所得气体速度场对委托企业拉丝炉设备的优化改造具有一定指导意义。由于在该部分是根据经验假设拉丝炉上相关固体部件(预制棒、马弗管和延伸管)温度边界的分布呈线性变化,而这一假设又与实际有一定差异,因此本文进行了第二部分的研究。第二部分为基于二维拉丝炉几何模型的数值计算。这一部分建立的模型不仅考虑了拉丝炉壁面与内部气体的热量传递,而且考虑了拉丝炉上各个固体部件的热量传递及加热件的辐射传热。通过模拟得到了炉内气体的二维速度场和拉丝炉上各个固体部件的温度分布情况,由于计算条件有限,该部分只建立了二维模型,并将拉丝炉上部气体入口进行简化,所以上部气体入口处的气体流场以第一部分的模拟结果为主。除此之外,其他部位气体流场分布及相关固体部件上的温度分布情况以第二部分模拟结果为主。第三部分为实验验证部分,由于实验器材限制,只能进行温度测试,通过将模拟的温度结果与实测结果进行比较,发现模拟结果与委托企业测试结果具有较好的一致性,从而证明了本文所建气体流场模型的正确性。综上所述,本文对委托企业提供的光纤拉丝炉的内部气体流场分布及拉丝炉上相关固体部件的温度分布进行了理论建模和数值模拟,通过实验证明了所建模型的正确性,为委托企业对拉丝炉进行优化设计提供了理论支撑。
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