化學(xué)氣相沉積爐用氣體預(yù)熱裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

施偉偉，董一巍，李明，龔雨晗，王曉燕，張鈺瑩，顏伊靖

（1.西安航空制動(dòng)科技有限公司，陜西 興平 713100；2.廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，福建 廈門 361005）

化學(xué)氣相滲透（chemical vapor infiltration）工藝制備碳/碳復(fù)合材料，是將碳源氣體經(jīng)過(guò)預(yù)熱后送入到爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)，通過(guò)擴(kuò)散、對(duì)流等方式使氣體滲透到碳纖維預(yù)制體內(nèi)部進(jìn)行裂解、聚合，最終以熱解碳的形式沉積到碳纖維表面及孔隙中，使材料致密化［1］。其首要任務(wù)是減少沉積時(shí)間，同時(shí)保證預(yù)制體能夠得到均勻、有效的致密［2］。而影響致密化的一項(xiàng)重要因素是氣體在進(jìn)入爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)前的預(yù)熱效果［3-10］。因此，合理設(shè)計(jì)氣體預(yù)熱裝置的結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

目前，氣體預(yù)熱裝置一般為多孔板疊加式結(jié)構(gòu)和圓筒式結(jié)構(gòu)。多孔板疊加預(yù)熱裝置安裝及使用方便，氣體在通過(guò)氣流孔時(shí)能夠被較好地分散，一定程度上提高了預(yù)熱效果，但是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，當(dāng)預(yù)熱隔板層數(shù)較少時(shí)，熱輻射面積較小，氣體流通路徑較短，氣體在進(jìn)入爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)前不能充分預(yù)熱，使得整爐產(chǎn)品的增密速率及熱解碳結(jié)構(gòu)的一致性均會(huì)受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品性能產(chǎn)生波動(dòng)；增加預(yù)熱隔板的層數(shù)又會(huì)進(jìn)一步占用爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)的空間，減少了產(chǎn)品裝料量，降低了設(shè)備的生產(chǎn)效率。圓筒式預(yù)熱裝置豎直安裝在爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)中，對(duì)于圓筒式或環(huán)狀等中空結(jié)構(gòu)的碳纖維預(yù)制體來(lái)說(shuō)，該預(yù)熱裝置不占用爐內(nèi)有效的反應(yīng)空間，且氣體在預(yù)熱裝置內(nèi)由上而下往復(fù)的流動(dòng)方式也更有利于反應(yīng)氣體被充分預(yù)熱。然而，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的圓筒式預(yù)熱裝置受裝料操作及反應(yīng)區(qū)內(nèi)高度限制，同樣存在熱輻射面積較小和氣體流通路徑較短的問(wèn)題。

針對(duì)現(xiàn)有氣體預(yù)熱裝置存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型氣體預(yù)熱裝置，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M，分析了改造氣體預(yù)熱裝置的可行性，以改變氣體流動(dòng)方式，使氣體充分混合預(yù)熱的方法。在現(xiàn)有圓筒式預(yù)熱裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，延長(zhǎng)了氣體流通路徑，增大了其熱輻射面積，提高了氣體的預(yù)熱效率［11］。

1 裝置原理

1.1 改進(jìn)前裝置原理

傳統(tǒng)（未優(yōu)化）的圓筒式預(yù)熱裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由底座、預(yù)熱筒和預(yù)熱管組成。氣體首先由爐體中的進(jìn)氣管送入到預(yù)熱管內(nèi)，氣體自下而上流經(jīng)預(yù)熱管出口到達(dá)預(yù)熱筒頂部，然后又經(jīng)預(yù)熱筒自上而下由底座上的出氣口進(jìn)入到反應(yīng)區(qū)內(nèi)。受裝料操作及反應(yīng)區(qū)內(nèi)高度限制，該圓筒式預(yù)熱裝置的總高度一般不超過(guò)70 cm，氣體流通路徑不超過(guò)130 cm，內(nèi)部的熱輻射面積不超過(guò)500 cm2。

圖1 改進(jìn)前圓筒式預(yù)熱裝置Fig.1 Cylindrical preheating device before improvement

1.2 改進(jìn)后裝置原理

為增加圓筒式預(yù)熱裝置內(nèi)部的熱輻射面積和氣體流通路徑，提高氣體的預(yù)熱效率，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖2所示。由圖2可知，改進(jìn)后的圓筒式預(yù)熱裝置主要增加了2種能夠改變氣體流向的氣流板，分別為具有不同規(guī)格的預(yù)熱管氣流板和不同規(guī)格預(yù)熱筒氣流板；另外，將預(yù)熱管的外壁和預(yù)熱筒的內(nèi)壁設(shè)計(jì)成具有多級(jí)環(huán)狀臺(tái)階的結(jié)構(gòu)，用以分別安裝不同規(guī)格的氣流板；此外，將預(yù)熱筒設(shè)計(jì)成為頂部蓋板可拆卸的組件，便于氣流板的安裝。

圖2 改進(jìn)后圓筒式預(yù)熱裝置Fig.2 Cylindrical preheating device after improvement

2 裝置仿真分析

2.1 Fluent簡(jiǎn)介

對(duì)流場(chǎng)的模擬部分利用了workbench工作臺(tái)，主要運(yùn)用Fluent流體計(jì)算器。

Fluent軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元的梯度算法。Fluent軟件中的動(dòng)/變形網(wǎng)格技術(shù)主要解決邊界運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，用戶只需指定初始網(wǎng)格和運(yùn)動(dòng)壁面的邊界條件，余下的網(wǎng)格變化完全由解算器自動(dòng)生成。Fluent軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，支持界面不連續(xù)的網(wǎng)格、混合網(wǎng)格、動(dòng)/變形網(wǎng)格以及滑動(dòng)網(wǎng)格等。值得強(qiáng)調(diào)的是，F(xiàn)luent軟件還擁有多種基于解的網(wǎng)格的自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)以及動(dòng)網(wǎng)格與網(wǎng)格動(dòng)態(tài)自適應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)。

Fluent軟件基于壓力的求解器和基于密度的求解器完全在同一界面下，確保Fluent對(duì)不同問(wèn)題都可以得到很好的收斂性、穩(wěn)定性和精度。基于壓力的求解器采用的計(jì)算法則屬于常規(guī)意義上的投影方法。投影方法中，首先通過(guò)動(dòng)量方程求解速度場(chǎng)，繼而通過(guò)壓力方程的修正使得速度場(chǎng)滿足連續(xù)性條件。由于壓力方程來(lái)源于連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，從而保證整個(gè)流場(chǎng)的模擬結(jié)果同時(shí)滿足質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒。由于控制方程（動(dòng)量方程和壓力方程）的非線性和相互耦合作用，需要一個(gè)迭代過(guò)程使得控制方程重復(fù)求解直至結(jié)果收斂，用這種方法求解壓力方程和動(dòng)量方程。

2.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

以圓筒式預(yù)熱裝置為研究對(duì)象，該裝置主要由預(yù)熱管、預(yù)熱筒、底座、出氣口組成，而改進(jìn)后增加了2種氣流板，且預(yù)熱筒為多級(jí)環(huán)狀臺(tái)階的結(jié)構(gòu)，對(duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后的裝置進(jìn)行仿真分析。

改進(jìn)前的裝置：邊界框大小設(shè)定為X∶0.415 m，Y∶0.15 m，Z∶0.15 m，體積為6.523 1×10-3m3。

改進(jìn)后的裝置：邊界框大小設(shè)定為X∶0.180 m，Y∶0.20 m，Z∶0.40 m，體積為6.808 7×10-3m3。

一般情況下，在熱力學(xué)仿真中對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)，最好劃為六面體網(wǎng)格，因此本次仿真對(duì)圓筒式預(yù)熱裝置采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格大小設(shè)定為10 mm，改進(jìn)前的圓筒式預(yù)熱裝置經(jīng)劃分后獲得285 787個(gè)單元，56 447個(gè)節(jié)點(diǎn)；改進(jìn)后的圓筒式預(yù)熱裝置經(jīng)劃分后獲得384 106個(gè)單元，79 677個(gè)節(jié)點(diǎn)。劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 改進(jìn)前、后預(yù)熱器裝置網(wǎng)格劃分圖Fig 3 Grid division diagram of the preheating device before and after improvement

2.3 裝置熱力學(xué)仿真

熱力耦合過(guò)程需要滿足熱力學(xué)平衡條件，即滿足熱力學(xué)第一定律：

式中：ρ為材料密度，隨溫度的變化較小，此處不考慮；T為溫度；c（T）為與溫度相關(guān)的比熱；r為單位質(zhì)量的外部熱源；q（T）為熱流張量；div為散度算子；We和Wpd分別為彈性功和塑性耗散功，具體為

式中：G(T)為剪切模量；s為單位體積和單位時(shí)間的熵；K(T)為體積模量；tr(σ)1為矩陣對(duì)角線求和；α(T)為體膨脹系數(shù)；εr為可恢復(fù)的應(yīng)變率張量。

根據(jù)Booley和Weiner建立的大變形下的熱彈性公式退化得到，改進(jìn)前圓筒式預(yù)熱裝置的熱仿真如圖4所示。

由圖4可知，該預(yù)熱裝置內(nèi)部受限于較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，熱輻射面積和氣體流通路徑長(zhǎng)度較小，氣體為自上而下較為單一的流動(dòng)方式，靠近筒壁的氣體溫度高于中部，預(yù)熱溫度不均勻，出氣口溫度約為1 000 K，氣體的預(yù)熱效率較低。

圖4 改進(jìn)前圓筒式預(yù)熱裝置熱仿真圖Fig 4 Thermal simulation diagram of the cylindrical preheating device before improvement

氣體在改進(jìn)后圓筒式預(yù)熱裝置內(nèi)的流動(dòng)方式較改進(jìn)前的不同之處為氣體自下而上流經(jīng)預(yù)熱管出口到達(dá)預(yù)熱筒頂部后，在氣流板的定向?qū)Я髯饔孟?，由自上而下單一的流?dòng)方式變?yōu)樽陨隙?左右迂回的流動(dòng)方式。該流動(dòng)方式一方面能夠使氣體在流向的轉(zhuǎn)折點(diǎn)形成渦流，達(dá)到充分混合預(yù)熱的目的；另一方面能夠使氣體在預(yù)熱裝置內(nèi)部的流通路徑長(zhǎng)度延長(zhǎng)約50%。同時(shí)，安裝的氣流板能夠使熱輻射面積提高1倍以上。

改進(jìn)后圓筒式預(yù)熱裝置熱仿真如圖5所示。在相同進(jìn)氣速度的情況下，改進(jìn)后氣體預(yù)熱裝置的預(yù)熱效果明顯要比改進(jìn)前更為高效，氣體在流經(jīng)預(yù)熱筒中部時(shí)溫度已達(dá)到1 200 K以上，與爐體溫度一致，預(yù)熱溫度均勻一致，氣體得到充分預(yù)熱。綜合評(píng)估，改進(jìn)后圓筒式預(yù)熱裝置對(duì)氣體的預(yù)熱效率較改進(jìn)前提高了2倍以上。

圖5 改進(jìn)后圓筒式預(yù)熱裝置熱仿真圖Fig 5 Thermal simulation diagram of the cylindrical preheating device after improvement

3 安裝及使用方法

改進(jìn)后圓筒式預(yù)熱裝置示意如圖6所示，安裝及使用方法為：①將底座安裝在承料板中心的環(huán)狀階梯槽內(nèi)；②將預(yù)熱管豎直安裝在底座中心的環(huán)狀階梯孔內(nèi)；③將預(yù)熱筒豎直安裝在底座表面的環(huán)狀凹槽內(nèi)；④將第1片適用規(guī)格的預(yù)熱筒氣流板安裝在預(yù)熱筒內(nèi)壁的第1級(jí)臺(tái)階上，然后將第1片適用規(guī)格的預(yù)熱管氣流板安裝在預(yù)熱管外壁的第1級(jí)臺(tái)階上，以此順序，分別安裝第2片、第3片等氣流板；⑤氣流板安裝完成后，將預(yù)熱筒蓋板安裝在預(yù)熱筒頂部，完成預(yù)熱裝置的安裝；⑥將圓筒式或環(huán)狀等中空結(jié)構(gòu)的碳纖維預(yù)制體產(chǎn)品裝在承料板上，預(yù)熱裝置位于產(chǎn)品料柱的內(nèi)腔，料柱頂部放置1個(gè)蓋板，用以密閉料柱的內(nèi)腔空間，防止漏氣；⑦通入碳源氣體后，首先經(jīng)過(guò)爐體的進(jìn)氣管將氣體送入到預(yù)熱裝置內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，隨后由預(yù)熱筒底部的出氣孔進(jìn)入到料柱內(nèi)部，通過(guò)擴(kuò)散、對(duì)流等方式滲透到碳纖維預(yù)制體內(nèi)部使其致密化。

圖6 預(yù)熱裝置安裝示意圖Fig 6 Installation diagram of preheating device

4 結(jié)語(yǔ)

由于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的圓筒式預(yù)熱裝置存在熱輻射面積較小和氣體流通路徑較短等問(wèn)題，在現(xiàn)有圓筒式預(yù)熱裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。改進(jìn)后的圓筒式預(yù)熱裝置，其內(nèi)部安裝了若干氣流板，延長(zhǎng)了氣體的流通路徑和滯留時(shí)間，且增加了熱輻射面積，能夠提高圓筒式預(yù)熱裝置的預(yù)熱效率達(dá)2倍以上。同時(shí)，相較于多孔板疊加式預(yù)熱裝置，在預(yù)熱效率相當(dāng)?shù)那闆r下，改進(jìn)后的圓筒式預(yù)熱裝置將節(jié)省約20%的裝料空間。