炭/炭复合材料热梯度CⅥ工艺中温度场的数值模拟 327 筒形孔隙扩散反应仅在微小的孔隙中进行,直至孔隙度后,把沉积层向外移动一个步进,设立下一新的沉积 闭合。Deek2、 Morell12等人也提出了CⅥ过程层,热解沉积区域呈放射状向外侧推进迁移,直至整个 的数学模型。李克智采用有限元法对二维轴对称预制体被全部沉积2。本工作中的热梯度CⅥI工艺 炭/炭复合材料的等温CⅥI工艺进行了模拟,分析了是通过控制沉积炉内的温度场分布来控制沉积区域的 沉积温度纤维体积分数预制体尺寸等工艺参数对等位置。 温CⅥI过程的影响。姜开宇1采用有限差分法 2.2几何模型的建立 梯度CⅥI工艺进行了模拟。顾正彬1研究了模拟结 在本工作中选用空心圆柱体形状的炭纤维预制体 果的可视化输出。侯向辉建立了单向炭/炭复合材为研究对象。为了有效地减少计算量,提高运算速度, 料CⅥI过程的有限差分模型。李爱军1建立了等温在不影响模型的准确性的前提下,我们将3D轴对称 CⅥI工艺的传质、传热数学和物理模型并用有限元方垂直式CVI反应炉简化为图1所示的2D结构,由于 法对其进行了数值模拟。由于热梯度CⅥI工艺中存热梯度CVI沉积炉具有典型的轴对称的特点,所以数 在着变化的温度梯度场,十分复杂,对温度场模拟研究值模拟过程中将采用轴对称几何模型选择圆柱坐标 未见报道,所以本文将对热梯度CⅥI工艺中的温度场系来研究问题。为了研究方便将反应炉内空间分成发 进行模拟分析,对深入理解热梯度CⅥI过程以及对热体区域Q21,天然气传质扩散的多孔炭毡预制体区域 CⅥI工艺的优化具有十分重要的意义。 Q2,和天然气自由流动的反应炉腔区域,如图1所示。 1实验 以天然气为前驱体,其中含98%(质量分数,下 Healer 同)CH4,0.3%CH3,0.3%CH10,0.4%其他烃类化 Preform 合物1%N2(陕西榆林管道天然气)。沉积炉内的气 压保持为1个大气压,气流量为3~5.0m3/h。针刺炭 毡作成内径6mm,外径160mm,高度900mm的预成 型体。炭毡的密度为0.2g/cm3。在炭毡预制体中部 图12D轴对称几何模型 沿径向钻一个∮0mm×77mm的小孔,用来放置热电 Fig. 1 The simplifying 2D axial symmetric geometry 偶。用PtRh热电偶来测温,沿沉积炉的径向放置可 移动的热电偶,热电偶的探头可接触到中心发热体.2.3传热方程 热电偶能监控发热体、预制体半径上任意点、预制体表 热梯度CⅥI工艺体系是具有内热源的三维不稳 面和反应炉壁之间的温度。图1所示为热梯度C 定导热传热过程较为复杂,它包括了传导、对流辐射 的示意图 三种主要的热量传递方式,而且随着CⅥI过程的进 行,导热方式也在随着时间的改变而变化。为了简化 2结果与讨论 问题,在建立传热方程之前作如下假设: (1)将预制体看作是无限长的空心圆柱体,温度沿 2.1炭/炭复合材料热梯度CⅤI工艺原 轴向均匀分布,温度场呈轴对称分布 本工作使用的壁冷式热梯度CVI炉是采用石 2)在足够短的时间间隔dt内,可以认为各处的 作发热体,通过低电压大电流使石墨发热体产生焦耳温度保持不变,属近稳态传热过程; 热,炉体外壳由循环水冷却在预制体的内外壁之间存 (3)前驱体天然气发生CVI反应时的反应热可以 在温度差,前驱体从预制体的低温外表面流入,通过扩 忽略不计 散传质到达高温沉积区,由于温度对热解炭沉积反应 发热体的热量沿径向发散,热源在空心圆柱形预 的影响呈指数关系所以前驱体在到达沉积层之前几制体内轴向上均匀分布,根据傳立叶定律和能量守恒 乎不发生热解反应只是被逐步预热热解炭的沉积只原理,在dt时间内导人微元体的净热量加上微元体内 能在很窄的沉积区域进行,所以在整个沉积过程中前热源放出的热量应等于微元体内能的增加,与此相应, 驱体进入预制体内热解区域的孔隙一直保持畅通,从撒元体的温度将发生变化,所以可建立如下热梯度 而克服了等温CⅥI工艺中存在闭孔现象的缺陷。多 CⅥ导热微分方程: 孔性预制体的高温沉积区被热解炭沉积达到所需的密 AC9+.(-xVT)=Q-CU·VT 万方数据炭／炭复合材料热梯度CVI工艺中温度场的数值模拟 327 筒形孔隙，扩散反应仅在微小的孔隙中进行，直至孔隙 闭合。Deepak[1¨、Morell[1幻等人也提出了CVI过程 的数学模型。李克智[133采用有限元法对二维轴对称 炭／炭复合材料的等温CVI工艺进行了模拟，分析了 沉积温度、纤维体积分数、预制体尺寸等工艺参数对等 温CVI过程的影响。姜开宇[143采用有限差分法对热 梯度CVI工艺进行了模拟。顾正彬[15]研究了模拟结 果的可视化输出。侯向辉[16]建立了单向炭／炭复合材 料CVI过程的有限差分模型。李爱军[17]建立了等温 CVI工艺的传质、传热数学和物理模型并用有限元方 法对其进行了数值模拟。由于热梯度CVI工艺中存 在着变化的温度梯度场，十分复杂，对温度场模拟研究 未见报道，所以本文将对热梯度CVI工艺中的温度场 进行模拟分析，对深入理解热梯度CVI过程以及对 CVI工艺的优化具有十分重要的意义。 1 实验 以天然气为前驱体，其中含98％(质量分数，下 同)CH。，0．3％C。H。，0．3％C。H。。，0．4 0A其他烃类化 合物，1％N。(陕西榆林管道天然气)。沉积炉内的气 压保持为1个大气压，气流量为3～5．0m3／h。针刺炭 毡作成内径6mm，外径160mm，高度900mm的预成 型体。炭毡的密度为0．29／cm3。在炭毡预制体中部 沿径向钻一个中10mm×77ram的小孔，用来放置热电 偶。用Pt—Rh热电偶来测温，沿沉积炉的径向放置可 移动的热电偶，热电偶的探头可接触到中心发热体。 热电偶能监控发热体、预制体半径上任意点、预制体表 面和反应炉壁之间的温度。图1所示为热梯度CVI 炉的示意图。 2结果与讨论 2．1炭／炭复合材料热梯度CVI工艺原理 本工作使用的壁冷式热梯度CVI炉是采用石墨 作发热体，通过低电压大电流使石墨发热体产生焦耳 热，炉体外壳由循环水冷却，在预制体的内外壁之间存 在温度差，前驱体从预制体的低温外表面流入，通过扩 散传质到达高温沉积区，由于温度对热解炭沉积反应 的影响呈指数关系，所以前驱体在到达沉积层之前几 乎不发生热解反应，只是被逐步预热，热解炭的沉积只 能在很窄的沉积区域进行，所以在整个沉积过程中前 驱体进入预制体内热解区域的孔隙一直保持畅通，从 而克服了等温CVI工艺中存在闭孔现象的缺陷。多 孔性预制体的高温沉积区被热解炭沉积达到所需的密 度后，把沉积层向外移动一个步进，设立下一新的沉积 层，热解沉积区域呈放射状向外侧推进迁移，直至整个 预制体被全部沉积[2]。本工作中的热梯度CVI工艺 是通过控制沉积炉内的温度场分布来控制沉积区域的 位置。 2．2几何模型的建立 在本工作中选用空心圆柱体形状的炭纤维预制体 为研究对象。为了有效地减少计算量，提高运算速度， 在不影响模型的准确性的前提下，我们将3D轴对称 垂直式CVI反应炉简化为图1所示的2D结构，由于 热梯度CVI沉积炉具有典型的轴对称的特点，所以数 值模拟过程中将采用轴对称几何模型，选择圆柱坐标 系来研究问题。为了研究方便将反应炉内空间分成发 热体区域Q，，天然气传质扩散的多孔炭毡预制体区域 Q。，和天然气自由流动的反应炉腔区域，如图1所示。 图1 2D轴对称几何模型 Fig．1 The simplifying 2D axial symmetric geometry 2．3传热方程 热梯度CVI工艺体系是具有内热源的三维不稳 定导热，传热过程较为复杂，它包括了传导、对流、辐射 三种主要的热量传递方式，而且随着CVI过程的进 行，导热方式也在随着时间的改变而变化。为了简化 问题，在建立传热方程之前作如下假设： (1)将预制体看作是无限长的空心圆柱体，温度沿 轴向均匀分布，温度场呈轴对称分布； (2)在足够短的时间间隔出内，可以认为各处的 温度保持不变，属近稳态传热过程； (3)前驱体天然气发生CVI反应时的反应热可以 忽略不计。 ’发热体的热量沿径向发散，热源在空心圆柱形预 制体内轴向上均匀分布，根据傅立叶定律和能量守恒 原理，在d￡时间内导入微元体的净热量加上微元体内 热源放出的热量应等于微元体内能的增加，与此相应， 微元体的温度将发生变化，所以可建立如下热梯度 CVI导热微分方程： 3个 10C。祟+v·(一A V丁)=Q—pc。U·V T 万方数据