石英玻璃合成炉的CFD仿真

摘要

大型激光系统在激光传输过程中光路长、光学表面多，如果光学元件折射率不均匀，会由于积累作用而产生较大的静态波前误差，从而影响激光系统输出光束的质量，造成激光装置的输出能力达不到装置的设计要求。光学元件的折射率均匀性不仅取决于加工精度，还受到材料本身的制约。石英玻璃作为光学元件的重要材料，其光学均匀性受溶解其中的根离子浓度和制备时的温度及冷却速率影响。石英玻璃制备工艺采用化学气相沉积(CVD)法在合成炉内实现，合成炉的工作过程涉及到复杂的物理化学过程，如湍流、燃烧、辐射、两相流等等，对其精确模拟较为困难。目前国外对石英玻璃的CFD仿真已经做了若干工作，而国内却鲜有研究。
　　本文采用商业软件STAR-CD对石英玻璃实际生产设备和工艺进行了CFD数值模拟，并且通过编写用户程序优化了软件的扩散模型和辐射模型。模拟结果输出了料头表面温度和各主要组分摩尔分数，并通过CHEMKIN软件进一步计算出料头表面根离子浓度分布。燃烧器、合成炉的设计结构以及生产工艺参数决定石英玻璃光学均匀性的优劣。经过与实验对比证明模型可靠性后，本文进一步研究了影响料头表面温度和组分浓度的因素，并改造了现有的合成炉和燃烧器，优化了通料方案，最终实现料头温度和各相关组分浓度分布均匀，达到工艺要求。
　　本文开发的CFD模型不仅可以大幅降低实验成本、缩短生产周期，而且大大深化了对其生产工艺的理解。CFD模拟可以轻易获得合成炉内任意区域的温度和流动情况等重要参数，对实际生产有重要指导意义。

目录

声明

摘要

CONTENT

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 石英玻璃介绍

1．3 国内外研究现状

1．4 研究内容

第二章 基于CVD法的CFD仿真

2．1 CFD介绍

2．2 STAR-CD介绍

2．3 CFD理论基础

2．3．1 有限体积法

2．3．2 N-S方程

2．4 网格

2．4．1 网格基本理论

2．4．2 网格类型

2．4．3 几何结构

2．4．4 网格结构

2．5 物理化学模型

2．5．1 湍流模型

2．5．2 燃烧模型

2．5．3 比热修正

2．5．4 扩散模型

2．5．5 辐射模型

第三章 模拟结果分析

3．1 模拟结果

3．2 实验对比及分析

第四章 优化设计

4．1 调查影响因素

4．1．1 石英柱的旋转运动对料头参数的影响

4．1．2 炉内负压对料头参数的影响

4．1．3 料头与燃烧器相对位置对料头参数的影响

4．1．4 有无SiCl4对料头参数的影响

4．1．5 两对出口对料头参数的影响

4．1．6 小结

4．2 合成炉改造

4．3 燃烧器改造

4．4 通料量调整

4．4．1 方案A

4．4．2 方案B

第五章 工程应用

5．1 流量优化

5．2 辅助燃烧器

5．3 燃烧器偏心偏角

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文