无机纤维虚拟制造

一、实验名称: 无机纤维虚拟制造

学时数：4学时
面向专业：纺织工程、非织造材料与工程、高分子材料与工程

二、实验目的

光纤是现代通讯领域内最基础的信号传输载体，是现代生活必不可少的重要基础设施。光纤同时也是一种特殊的纤维材料，其制备过程与熔融纺丝过程及其相似，但是光纤的制备是在高温条件（1000°C）下对石英光预制棒进行熔融拉伸至所需尺寸（100微米左右），因此很难直接测量温度场分布、光纤形成过程参数，以及实际优化石墨感应炉需要耗费大量石墨坩埚材料等难以实现的教学功能。对于石墨感应炉设定高温温场分布（>1000°C），利用有限元法计算石英光纤预制棒在温场下达到平衡熔融状态的时间、动态直径的变化，以及冷却气体的导入、成形管道的几何参数等对于最终获得的石英纤维的直径和强度的影响。
本仿真实验要求：所获得的结构能够很好的指导石英光纤的拉伸过程与石墨感应炉的优化改造。

三、现有设备及台套数

现有正版仿真软件COMSOL 4.2a一套，主机/客户机运行许可4个，可同时在5台电脑运行仿真计算模块。

四、实验内容

1. 利用COMSOL软件研究对感应炉中的气体流场和温度场进行模拟。对现有主流石墨感应炉中的气体流场建立数学模型，施加一定的边界条件，采用数值方法计算出气体的流动情况，模拟出感应炉中的气体流场和温度场。
2. 利用气体流场模型对不同结构感应炉中的气体流场和温度场进行数值模拟。不同结构参数感应炉中气体的速度分布和温度分布都会不同，通过实际测量来研究气体的速度分布和温度分布，显然是不现实的。而利用数值模拟方法，我们就可以对结构参数变化的感应炉中气体流场和温度场进行模拟，从而能够快速优选出更适合于光纤制备的感应炉结构。

五、代表性实验结果

图1石墨感应炉中的温度场分布

图2石英光棒在石墨感应炉中熔融拉伸变细的过程以及温度场分布