第3期 潘仡文,等:化学液相沉积法制备碳/碳复合材料时的温度场研究 阵,C是惯性阻力因子 L.3初始条件 能量方程为 整个计算为非稳态过程,操作压强为121.59 annE+(1-1AE)+V·(Y件E+p)= kPa,反应初始温度为室温.石墨棒初始温度为室 温,用自定义函数控制其升温过程,使其在之后的 kv-(∑小+a,+s10mm内以指数规律上升到127315K然后保持 式中:a为流体密度;具为固体密度:p为孔隙内的温度不变大圆柱的外侧面设置为压力出口,上下端 压强:为曲折因子w为流体速度:,为;方向的摩面设置为壁面条件,并将上文中计算所得的煤油的 尔通量密度;h为i方向的溶解度系数;E为流体导热系数与表面沸腾换热系数输入到边界条件中 总能;E为固体介质总能;y为描述介质多孔性的初始孔隙率设置为60%随着制备过程的进行,孔 参数;s为流体焓的源项. 隙率会呈指数规律减小,终止时的孔隙率为10% 1.2边界条件 用自定义函数来控制相变过程以及孔隙率的变化 压力为01MPa时,普通煤油在29315K时2计算结果与分析 的密度0=818.6kg·m3.在本计算研究的煤油 温度和密度范围内,煤油的密度随温度的变化呈线 所建模型的轴向长度为0.15m,径向长度为 性关系:p=A0-B(1-20),B为平均密度系数,B=007m,石墨棒的半径为003m通过计算发现,随 0.76kg·m3·cl.本文计算中,煤油在达到沸着时间的推移,整个预制体骨架的温度场也随之发 点以后,始终处于饱和状态压力为a1MPa时,其生变化选取4个比较有代表性的时间来显示整个 饱和温度为453.15K液相密度P=697kg·m3 骨架的温度分布,如图3~图6所示 煤油是多种化合物的复杂混合物,计算煤油的 平均相对分子质量的公式为 m=atbt+ct 式中:系数a、b、c与特性因子K的关系见表1 表1参数a、b、c与特性因子K的关系 b0.2300.2400.2400.2250.180 8000000900.001000.001150.00140 图350s时骨架的温度分布 K是由平均沸点和相对密度所决定的,取K= 11.362//,经插值计算得M=139.06.煤油的导热 系数为 A=0.1008(1-0.00054)/d° 式中:d°是20℃时煤油和水的密度之比计算得到 煤油的导热系数为0.1231W·(m·K Cooper提出的以相对压力为基础的换热系数 计算公式为 h=55p01:04(-0.43431lnp)“03M546 式中:p=ppam=1.2/30.8=0.03896,pm为液体 图4300s时骨架的温度分布 煤油的临界压力;M=139.06;加热面的表面粗糙度 从图5中可以看出,反应进行到600s时轴向 Rp=1.2×106;热流密度q=1320.79kW·m 温度分布不均匀,因为反应中液相煤油汽化时会带 根据式7)计算可得碳纤维表面沸腾换热系数h=走一部分热量,同时形成气液两相流动气相煤油 7062.9W·m 部分被排走,而一部分液相煤油补充进来,形成回 o1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishinghOuse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net阵 , C2 是惯性阻力因子. 能量方程为 5 5t (γρf Ef + (1 - γ)ρs Es) + ¨ ·(ν(ρf Ef + p) ) = ¨ · keff ¨ T - ∑i hi J i + (τ·ν) + S h f (5) 式中 :ρf 为流体密度;ρs 为固体密度; p 为孔隙内的 压强;τ为曲折因子;ν为流体速度; J i 为 i 方向的摩 尔通量密度; hi 为 i 方向的溶解度系数; Ef 为流体 总能; Es 为固体介质总能;γ为描述介质多孔性的 参数; S h f 为流体焓的源项. 112 边界条件 压力为 011 MPa 时 ,普通煤油在 293115 K 时 的密度ρ20 = 81816 kg ·m - 3 . 在本计算研究的煤油 温度和密度范围内 ,煤油的密度随温度的变化呈线 性关系 :ρ=ρ20 - β( t - 20) ,β为平均密度系数 ,β= 0176 kg ·m - 3 ·℃- 1[5 ] . 本文计算中 ,煤油在达到沸 点以后 ,始终处于饱和状态. 压力为 011 MPa 时 ,其 饱和温度为 453115 K,液相密度ρ= 697 kg ·m - 3 . 煤油是多种化合物的复杂混合物 ,计算煤油的 平均相对分子质量的公式为 M = a + b t + c t 2 (6) 式中 :系数 a、b、c 与特性因子 K 的关系见表 1. 表 1 参数 a、b、c 与特性因子 K 的关系 K 10. 0 1015 1110 1115 1210 a 56 57 59 63 69 b 01230 01240 01240 01225 01180 c 01008 00 01000 90 01001 00 01001 15 01001 40 K 是由平均沸点和相对密度所决定的 ,取 K = 111362 [6 ] ,经插值计算得 M = 139106. 煤油的导热 系数为 λ = 01100 8 (1 - 01000 54) / d 20 4 式中 : d 20 4 是 20 ℃时煤油和水的密度之比. 计算得到 煤油的导热系数为 01123 1 W ·(m ·K) - 1 . Cooper 提出的以相对压力为基础的换热系数 计算公式为[7 ] h = 55 pr 0112 - 01434 3lnRp ( - 01434 3ln pr ) - 0155 M - 015 q 0167 (7) 式中 : pr = p/ pcrit = 112/ 3018 = 01038 96 , pcrit为液体 煤油的临界压力; M = 139106 ;加热面的表面粗糙度 Rp = 112 ×10 - 6 ;热流密度 q = 1 320179 kW ·m - 2 . 根据式(7) 计算可得碳纤维表面沸腾换热系数 h = 7 06219 W ·m - 2 ·K - 1 . 113 初始条件 整个计算为非稳态过程 , 操作压强为 121159 kPa ,反应初始温度为室温. 石墨棒初始温度为室 温 ,用自定义函数控制其升温过程 ,使其在之后的 10 min 内以指数规律上升到 1 273115 K ,然后保持 温度不变. 大圆柱的外侧面设置为压力出口 ,上下端 面设置为壁面条件 ,并将上文中计算所得的煤油的 导热系数与表面沸腾换热系数输入到边界条件中. 初始孔隙率设置为 60 % ,随着制备过程的进行 ,孔 隙率会呈指数规律减小 ,终止时的孔隙率为 10 %. 用自定义函数来控制相变过程以及孔隙率的变化. 2 计算结果与分析 所建模型的轴向长度为 0115 m ,径向长度为 0107 m ,石墨棒的半径为 0103 m. 通过计算发现 ,随 着时间的推移 ,整个预制体骨架的温度场也随之发 生变化. 选取 4 个比较有代表性的时间来显示整个 骨架的温度分布 ,如图 3～图 6 所示. 图 3 50 s 时骨架的温度分布 图 4 300 s 时骨架的温度分布 从图 5 中可以看出 ,反应进行到 600 s 时轴向 温度分布不均匀 ,因为反应中液相煤油汽化时会带 走一部分热量 ,同时形成气液两相流动. 气相煤油一 部分被排走 ,而一部分液相煤油补充进来 ,形成回 第 3 期 潘仡文 ,等 :化学液相沉积法制备碳/ 碳复合材料时的温度场研究 311