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作者和发表信息
这项研究的主要作者是F.Z. Yin和Y. Jaluria，隶属于Rutgers University的Mechanical Engineering Department，他们同时是ASME的会员。这项研究发表于ASME出版的*Journal of Heat Transfer*杂志2000年5月第122卷。
研究背景
光纤制造过程中高速拉丝技术的需求显著增长，这是由于光纤全球需求量迅速增加。通过高温加热硅玻璃预制棒并将其拉伸成纤维是光纤拉丝的主要方法。然而，这种高速拉丝工艺面临一系列问题，包括光纤特性变化和热诱导缺陷，其主要原因在于制造过程中产生的大温度梯度。此外，硅玻璃从初始直径（5–10厘米）拉伸至125微米的光纤直径，这一过程中涉及的传热与玻璃流动对工艺效率及光纤质量起着重要作用。针对这些挑战，本研究系统分析了在大直径预制棒（≥5厘米）及高拉伸速度条件（最高可达20米/秒）下光纤拉丝过程的热力学行为。
研究的主要目标包括：
1. 确定适用于高速、高效率生产的颈缩（neck-down）曲线，避免不稳定或不物理合理的颈缩形态；
2. 通过传热分析和辐射模型研究拉丝过程中温度、流速分布及缺陷生成分布；
3. 探讨工艺参数如拉速、预制棒直径、炉温及保护气体等对光纤质量及缺陷生成的影响；
4. 寻找工艺的可行域（feasible domain），为实际工业生产提供指导。
研究方法和流程
研究使用了分析计算及数值仿真的方法，整合先前发表的理论模型和新的数值方法，探索光纤拉丝的主要物理现象。工作流程和方法如下：
颈缩轮廓的生成
通过轴向平衡力的分析，研发了一种基于径向流速整合的迭代公式以确定预制棒/光纤的颈缩轮廓形状。数学上通过以下公式表示：
[ r(z) = ar{0}^{2} \frac{v{0}}{\bar{v}} ]
公式中$\bar{v}$通过积分法获得预制棒在玻璃区域的平均轴向速度。这种方法实现了拉丝稳定条件下力平衡计算，确保所生成的颈缩曲线物理合理并稳定。
热辐射的求解
本文使用之前提出的“Zonal Method”（区域法），对玻璃预制棒和纤维中的辐射传递进行计算。这种方法较传统的Rosseland近似能更准确地处理光滑颈缩区域因几何复杂导致的辐射传导偏差。
热力学和流体分析
对传热和流体流动的分析中，假定流体为轴对称、层流和不可压缩，物理控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程及辐射源项方程。此外，为了在计算中简化复杂几何，使用柱坐标变换将三维问题转化为计算简单的二维轴对称问题。
缺陷生成的分析
针对E’缺陷的生成，本文引用Hanafusa等人的热力学分析方法，提出E’中心缺陷积累与拉丝温度和速度的数学关系，并通过数值求解缺陷浓度方程研究在每种条件下缺陷的分布。
实验验证与参数研究
文中开展了大量仿真实验以考察拉速、炉温、保护气体类型与流速对传热、流体动力学、缺陷生成的影响。
研究结果
1. 颈缩轮廓特性
通过迭代模拟和优化，本文生成了不同拉速和炉温条件下的稳定颈缩曲线。结果发现颈缩曲线因拉速增加而向下游偏移，高炉温使颈缩曲线前移且陡峭。
传热与温度场
玻璃预制棒的温度分布对于拉速和炉温变化极为敏感。随着拉速减少和炉温升高，预制棒更快达到玻璃软化点。辐射传热占主导，特别是在高温区域，而对流热传递仅在低温区域起显著作用。
缺陷浓度分析
E’缺陷浓度随温度升高而显著增加，尤其在高炉温和低拉速条件下生成更多缺陷。小直径预制棒因较低温度历史而显著减少缺陷。
保护气体分析
保护气体种类和流速变化对颈缩轮廓和玻璃内部热力学分布影响较小。其中氦气因热扩散系数较高，比氩气加热更快，但对玻璃本体影响甚微。
工艺可行域
研究确定了纤维拉速与炉温的关系曲线，为拉速-温度可行区域提供了指导。例如，当炉温达到2500K时，最大允许拉速可达20米/秒。然而，在更高拉速的情况下，预制棒在炉内可能无法足够软化，导致“粘滞断裂”（viscous rupture）问题。
结论
本文通过结合数学建模与数值仿真研究了大直径预制棒和高速拉丝条件下的光纤制造全流程。研究明确了颈缩形态、温度分布及缺陷生成与工艺条件的关系，为工业生产参数选择和优化提供了科学依据。以下是研究的主要贡献：
1. 通过发展新型辐射模型（Zonal Method），显著提高拉丝过程温度与热辐射计算的准确性。 2. 提出并验证了颈缩形态的优化迭代方法，从力学平衡角度生成稳定轮廓。 3. 系统分析了拉速、炉温、直径对缺陷生成及热力行为的影响，提供降低E’缺陷浓度的理论建议。 4. 为光纤拉丝厂提供了可行拉速与温度范围，提升了工艺参数支持决策的科学性。
亮点与意义
1. 本文是少数针对高速（20米/秒以上）及大尺寸预制棒（5–10厘米直径）光纤拉丝工艺的综合研究之一。
2. 使用Zonal Method代替传统近似方法显著提升计算效率与精度，填补低温区域缺乏精确热辐射模型的空白。
3. 定量分析了E’缺陷与工艺参数的关系，为提高光纤质量提供了具体指导意见。
4. 提供了颈缩形成的完整数值解决方案，使工业设计可量化且高度可控。
该研究不仅推进了光纤制造工艺的科学理解，还为实际生产工厂的设计和优化提供了直接应用价值。