熱壓罐溫度均勻性仿真及實(shí)驗(yàn)對(duì)比

于廣鋒，郄 方，高大山，端木兵雷

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京 102206）

熱壓罐是利用高溫高壓氣體制造復(fù)合材料的設(shè)備[1]。復(fù)合材料在熱壓罐內(nèi)受到高溫高壓固化成型，可以降低孔隙率，改進(jìn)力學(xué)性能，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性[2]。對(duì)復(fù)合材料成型質(zhì)量的影響因素有熱壓罐溫度場均勻性、升降溫速率、產(chǎn)品配方、模具的導(dǎo)熱性能等。

熱壓罐運(yùn)行能源消耗大，運(yùn)行成本高，因此提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性、降低能耗是熱壓罐產(chǎn)品追求的目標(biāo)之一。合適的加熱、冷卻功率應(yīng)該既能滿足復(fù)合材料溫度場需求，又沒有過多的冗余量。近年來，在國內(nèi)外相關(guān)研究中，針對(duì)復(fù)合材料成型所需的熱壓罐工藝及框架模具對(duì)溫度均勻性的研究較多。主要采用理論-半理論公式計(jì)算[3-5]和CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）計(jì)算[6-11]兩種方法。理論-半理論公式利用流動(dòng)與傳熱理論模及經(jīng)驗(yàn)公式可以快速獲得平均溫度計(jì)算結(jié)果，但無法得到詳細(xì)的溫度場均勻性結(jié)果；而CFD方法可以預(yù)測熱壓罐工作區(qū)域的溫度均勻性，但是熱壓罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)行三維CFD計(jì)算需要花費(fèi)較多計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算時(shí)間。隨著工程應(yīng)用的復(fù)合材料構(gòu)件尺寸越來越大、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，熱壓罐長度和直徑隨之增大，大型熱壓罐內(nèi)溫度場和流場均勻性要求也越來越高，對(duì)熱壓罐設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)[12]。因此，需要一種快速并且可視化的計(jì)算模型用于熱壓罐的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章通過建立簡化的二維軸對(duì)稱CFD模型，快速求解熱壓罐流場和溫度場，并對(duì)比CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要研究熱壓罐溫度均勻性和升降溫速率，計(jì)算模型應(yīng)用于Φ5.5m×12m（直徑5.5m，工作區(qū)域長度為12m）和Φ5m×6m兩種熱壓罐。

1 CFD計(jì)算模型

1.1 簡化和假設(shè)

采用二維軸對(duì)稱模型簡化，在結(jié)構(gòu)方案階段可以快速獲得計(jì)算結(jié)果，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和優(yōu)化的方向。簡化和假設(shè)如下：（1）由于熱壓罐體結(jié)構(gòu)主要為圓筒狀，因此需要進(jìn)行二維軸對(duì)稱計(jì)算。（2）將罐殼體和保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)采用當(dāng)量傳熱系數(shù)處理。（3）計(jì)算空罐（不含模具及復(fù)合材料產(chǎn)品）的流場和溫度場均勻性。（4）考慮風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口對(duì)流場和溫度場的影響，忽略風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使用UDF（用戶自定義函數(shù)）計(jì)算風(fēng)機(jī)入口（計(jì)算域出口）平均溫度賦值給風(fēng)機(jī)出口（計(jì)算域入口）。熱壓罐結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算模型示意圖如圖1所示。

圖1 熱壓罐結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算模型示意圖

1.2 控制方程

二維軸對(duì)稱數(shù)值模擬模型控制方程如下：

（1）質(zhì)量守恒方程：

式中：x為軸向坐標(biāo)；r為徑向坐標(biāo)；vx為軸向速度；vr為徑向速度。

（2）動(dòng)量守恒方程：

（3）能量方程：

式中：λt為湍流導(dǎo)熱系數(shù)；Qv為體熱源，W/m3。

1.3 邊界條件

分別計(jì)算Φ5m×6m（直徑5m，工作區(qū)域長度為6m）的熱壓罐和Φ5.5m×12m熱壓罐的溫度均勻性?？諝獠捎貌豢蓧和耆珰怏w模型，Φ5m×6m熱壓罐流體區(qū)域表壓力為1.2MPa，絕對(duì)壓力為1.3MPa，Φ5.5m×12m熱壓罐流體區(qū)域表壓力為310kPa。罐殼體外部為自然對(duì)流邊界，環(huán)境溫度為25℃。材料熱物理參數(shù)如表1所示。根據(jù)表1中的材料熱物理參數(shù)采用一維導(dǎo)熱模型計(jì)算得出罐殼體的當(dāng)量傳熱換熱系數(shù)為0.5 W/（m2·K）。加熱器采用多孔介質(zhì)模型，孔隙率為0.9。換熱器區(qū)域?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)模型，厚度為730mm，慣性阻力系數(shù)C2＝10，孔隙率為0.5。工作區(qū)域平均風(fēng)速為0.8～1.2m/s。根據(jù)質(zhì)量守恒計(jì)算得出風(fēng)機(jī)入口速度作為速度邊界。

表1 材料熱物理參數(shù)表

1.4 計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。網(wǎng)格類型為二維結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為1.2萬格和2.6萬格，已相對(duì)于熱壓罐軸線對(duì)稱顯示。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

1.5 計(jì)算設(shè)置

計(jì)算設(shè)置為k-ε湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，運(yùn)用SIMPLEC算法，一階精度。進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，構(gòu)建軸對(duì)稱模型。

2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

Φ5.5m×12m熱壓罐溫度傳感器布置如圖3所示。其共有測溫點(diǎn)60個(gè)，分為12組均勻布置。根據(jù)波音公司的標(biāo)準(zhǔn)BAC 5621，產(chǎn)品負(fù)載容積小于工作區(qū)容積10%時(shí)，可以空載進(jìn)行均勻性測量。

測溫點(diǎn)平均溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。由圖4可知，Φ5.5m×12m熱壓罐升溫曲線為階梯形，即以一定速率升溫之后進(jìn)行保溫，然后繼續(xù)升溫。Φ5m×6m熱壓罐經(jīng)過幾次升溫和保溫之后再降溫，升降溫過程中罐內(nèi)壓力恒定。

實(shí)驗(yàn)測量點(diǎn)升溫速率如圖5所示。Φ5.5m×12m熱壓罐從常溫升溫至250℃全過程溫度變化速率為-0.6～5.2℃/min，保溫階段的溫度變化速率小于±0.2℃/min。Φ5m×6m熱壓罐從常溫升溫至250℃后降溫至131℃全過程溫度變化速率為-14～7℃/min，保溫階段的溫度變化速率小于±1℃/min。兩個(gè)熱壓罐的溫度控制精度良好。

圖3 Φ5.5m×12m熱壓罐測溫點(diǎn)示意圖

圖4 實(shí)驗(yàn)測量點(diǎn)平均溫度變化曲線

圖5 實(shí)驗(yàn)測量點(diǎn)平均溫度變化速率曲線

圖6 實(shí)驗(yàn)測量點(diǎn)溫度偏差

從圖5、圖6可以看出，溫度均勻性與升溫速率具有強(qiáng)烈的相關(guān)性，升溫越快，溫度均勻性越差；保溫階段的溫度均勻性最好。由于保溫階段的溫度均勻性很好，可以滿足設(shè)備使用需求，因此文章CFD計(jì)算未考慮保溫階段，僅對(duì)比研究溫度場均勻較差的動(dòng)態(tài)升溫和降溫過程。為了與CFD模擬進(jìn)行對(duì)比，去掉了實(shí)驗(yàn)曲線的保溫過程，并平移時(shí)間軸，使實(shí)驗(yàn)曲線變?yōu)檫B續(xù)曲線。去掉保溫階段之后的溫度變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果溫度變化相差不大，驗(yàn)證了文章計(jì)算方法的合理性。

圖7 工作區(qū)域平均溫度變化（不計(jì)保溫階段）

溫度變化速率（不計(jì)保溫階段）對(duì)比結(jié)果如圖8所示。由圖8所示，Φ5.5m×12m熱壓罐的CFD計(jì)算結(jié)果溫度變化速率基本穩(wěn)定在4℃/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線溫度變化速率為1.0～5.2℃/min。Φ5m×6m熱壓罐的CFD計(jì)算結(jié)果溫度變化速率基本穩(wěn)定在3℃/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲溫度變化速率為-14～7℃/min。

圖8 工作區(qū)域溫度變化速率(不計(jì)保溫階段)

工作區(qū)域溫度偏差（不計(jì)保溫階段）對(duì)比結(jié)果如圖9所示。Φ5.5m×12m熱壓罐CFD計(jì)算結(jié)果溫度偏差為-1.0～1.0℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度偏差為-6.2～6.2℃。Φ5m×6m熱壓罐CFD計(jì)算結(jié)果溫度偏差為-1.4～1.4℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度偏差為-5.6～5.6℃。

圖9 工作區(qū)域溫度偏差結(jié)果對(duì)比(不計(jì)保溫階段)

Φ5.5m×12m熱壓罐t=50min溫度云圖CFD結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出工作區(qū)域溫度很均勻。

圖10 Φ5.5m×12m熱壓罐t=50min溫度云圖CFD結(jié)果（單位：℃）

Φ5m×6m熱壓罐t=80min溫度云圖CFD結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出工作區(qū)域溫度很均勻。

圖11 Φ5m×6m熱壓罐t=80min溫度云圖CFD結(jié)果（單位：℃）

3 結(jié)論

文章對(duì)熱壓罐系統(tǒng)速度場和溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了以下結(jié)論，為優(yōu)化熱壓罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)參數(shù)選擇提供了技術(shù)支持。

（1）Φ5.5m×12m熱壓罐CFD計(jì)算溫度變化率為4℃/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為1.0～5.2℃/min；Φ5m×6m熱壓罐CFD計(jì)算溫度變化速率為3℃/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為-14～7℃/min。Φ5.5m×12m熱壓罐CFD溫度偏差小于±1℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為-6.2～6.2℃；Φ5m×6m熱壓罐CFD溫度偏差小于±1.4℃/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為-5.6～5.6℃。

（2）Φ5m×6m熱壓罐的溫度均勻性好于Φ5.5m×12m熱壓罐的溫度均勻性。Φ5m×6m熱壓罐長徑比值為1.2，而Φ5.5m×12m熱壓罐長徑比值為2.2。大長徑比熱壓罐的加熱器距離流場中心的相對(duì)距離更遠(yuǎn)，因此采用相同結(jié)構(gòu)布置的熱壓罐，大長徑比熱壓罐溫度均勻性較差。

（3）長徑比數(shù)值較大的熱壓罐一般采用冷卻器和加熱器布置于熱壓罐尾部的結(jié)構(gòu)。長徑比數(shù)值較小的熱壓罐，由于溫度均勻性控制較容易，因此冷卻器和加熱器布置方式較靈活，除了采用經(jīng)典的冷卻器和加熱器布置于熱壓罐尾部的結(jié)構(gòu)，還可以采用將冷卻器和加熱器放置于地板下方的方式，縮短罐體長度。對(duì)于熱壓罐軸線，冷卻器和加熱器為非對(duì)稱布置，因此熱壓罐結(jié)構(gòu)有必要采用整流網(wǎng)，以此增強(qiáng)流場與溫度場的均勻性。

（4）為改進(jìn)罐內(nèi)溫度均勻性，可以減小升溫速率或采用階梯形升溫曲線。以較小的升溫速率，升溫后進(jìn)行保溫，待產(chǎn)品溫度均勻之后再繼續(xù)升溫。