化學氣相沉積爐用氣體預熱裝置優化設計

施偉偉，董一巍，李明，龔雨晗，王曉燕，張鈺瑩，顏伊靖

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

化學氣相滲透（chemical vapor infiltration）工藝制備碳/碳復合材料，是將碳源氣體經過預熱后送入到爐內反應區，通過擴散、對流等方式使氣體滲透到碳纖維預制體內部進行裂解、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］。其首要任務是減少沉積時間，同時保證預制體能夠得到均勻、有效的致密［2］。而影響致密化的一項重要因素是氣體在進入爐內反應區前的預熱效果［3-10］。因此，合理設計氣體預熱裝置的結構顯得尤為重要。

目前，氣體預熱裝置一般為多孔板疊加式結構和圓筒式結構。多孔板疊加預熱裝置安裝及使用方便，氣體在通過氣流孔時能夠被較好地分散，一定程度上提高了預熱效果，但是其結構設計較為簡單，當預熱隔板層數較少時，熱輻射面積較小，氣體流通路徑較短，氣體在進入爐內反應區前不能充分預熱，使得整爐產品的增密速率及熱解碳結構的一致性均會受到影響，進而導致產品性能產生波動；增加預熱隔板的層數又會進一步占用爐內反應區的空間，減少了產品裝料量，降低了設備的生產效率。圓筒式預熱裝置豎直安裝在爐內反應區中，對于圓筒式或環狀等中空結構的碳纖維預制體來說，該預熱裝置不占用爐內有效的反應空間，且氣體在預熱裝置內由上而下往復的流動方式也更有利于反應氣體被充分預熱。然而，現有結構的圓筒式預熱裝置受裝料操作及反應區內高度限制，同樣存在熱輻射面積較小和氣體流通路徑較短的問題。

針對現有氣體預熱裝置存在的問題，本文設計了一種新型氣體預熱裝置，通過仿真實驗模擬，分析了改造氣體預熱裝置的可行性，以改變氣體流動方式，使氣體充分混合預熱的方法。在現有圓筒式預熱裝置結構的基礎上對其進行了優化改進，延長了氣體流通路徑，增大了其熱輻射面積，提高了氣體的預熱效率［11］。

1 裝置原理

1.1 改進前裝置原理

傳統（未優化）的圓筒式預熱裝置結構如圖1所示，主要由底座、預熱筒和預熱管組成。氣體首先由爐體中的進氣管送入到預熱管內，氣體自下而上流經預熱管出口到達預熱筒頂部，然后又經預熱筒自上而下由底座上的出氣口進入到反應區內。受裝料操作及反應區內高度限制，該圓筒式預熱裝置的總高度一般不超過70 cm，氣體流通路徑不超過130 cm，內部的熱輻射面積不超過500 cm2。

圖1 改進前圓筒式預熱裝置Fig.1 Cylindrical preheating device before improvement

1.2 改進后裝置原理

為增加圓筒式預熱裝置內部的熱輻射面積和氣體流通路徑，提高氣體的預熱效率，對其結構進行了優化設計，如圖2所示。由圖2可知，改進后的圓筒式預熱裝置主要增加了2種能夠改變氣體流向的氣流板，分別為具有不同規格的預熱管氣流板和不同規格預熱筒氣流板；另外，將預熱管的外壁和預熱筒的內壁設計成具有多級環狀臺階的結構，用以分別安裝不同規格的氣流板；此外，將預熱筒設計成為頂部蓋板可拆卸的組件，便于氣流板的安裝。

圖2 改進后圓筒式預熱裝置Fig.2 Cylindrical preheating device after improvement

2 裝置仿真分析

2.1 Fluent簡介

對流場的模擬部分利用了workbench工作臺，主要運用Fluent流體計算器。

Fluent軟件采用基于完全非結構化網格的有限體積法，而且具有基于網格節點和網格單元的梯度算法。Fluent軟件中的動/變形網格技術主要解決邊界運動的問題，用戶只需指定初始網格和運動壁面的邊界條件，余下的網格變化完全由解算器自動生成。Fluent軟件具有強大的網格支持能力，支持界面不連續的網格、混合網格、動/變形網格以及滑動網格等。值得強調的是，Fluent軟件還擁有多種基于解的網格的自適應、動態自適應技術以及動網格與網格動態自適應相結合的技術。

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對不同問題都可以得到很好的收斂性、穩定性和精度?；趬毫Φ那蠼馄鞑捎玫挠嬎惴▌t屬于常規意義上的投影方法。投影方法中，首先通過動量方程求解速度場，繼而通過壓力方程的修正使得速度場滿足連續性條件。由于壓力方程來源于連續性方程和動量方程，從而保證整個流場的模擬結果同時滿足質量守恒和動量守恒。由于控制方程（動量方程和壓力方程）的非線性和相互耦合作用，需要一個迭代過程使得控制方程重復求解直至結果收斂，用這種方法求解壓力方程和動量方程。

2.2 模型建立及網格劃分

以圓筒式預熱裝置為研究對象，該裝置主要由預熱管、預熱筒、底座、出氣口組成，而改進后增加了2種氣流板，且預熱筒為多級環狀臺階的結構，對改進前和改進后的裝置進行仿真分析。

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

改進后的裝置：邊界框大小設定為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，在熱力學仿真中對網格進行劃分時，最好劃為六面體網格，因此本次仿真對圓筒式預熱裝置采用六面體網格進行劃分，網格大小設定為10 mm，改進前的圓筒式預熱裝置經劃分后獲得285 787個單元，56 447個節點；改進后的圓筒式預熱裝置經劃分后獲得384 106個單元，79 677個節點。劃分結果如圖3所示。

圖3 改進前、后預熱器裝置網格劃分圖Fig 3 Grid division diagram of the preheating device before and after improvement

2.3 裝置熱力學仿真

熱力耦合過程需要滿足熱力學平衡條件，即滿足熱力學第一定律：

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）為與溫度相關的比熱；r為單位質量的外部熱源；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間的熵；K(T)為體積模量；tr(σ)1為矩陣對角線求和；α(T)為體膨脹系數；εr為可恢復的應變率張量。

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

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

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

氣體在改進后圓筒式預熱裝置內的流動方式較改進前的不同之處為氣體自下而上流經預熱管出口到達預熱筒頂部后，在氣流板的定向導流作用下，由自上而下單一的流動方式變為自上而下-左右迂回的流動方式。該流動方式一方面能夠使氣體在流向的轉折點形成渦流，達到充分混合預熱的目的；另一方面能夠使氣體在預熱裝置內部的流通路徑長度延長約50%。同時，安裝的氣流板能夠使熱輻射面積提高1倍以上。

改進后圓筒式預熱裝置熱仿真如圖5所示。在相同進氣速度的情況下，改進后氣體預熱裝置的預熱效果明顯要比改進前更為高效，氣體在流經預熱筒中部時溫度已達到1 200 K以上，與爐體溫度一致，預熱溫度均勻一致，氣體得到充分預熱。綜合評估，改進后圓筒式預熱裝置對氣體的預熱效率較改進前提高了2倍以上。

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

3 安裝及使用方法

改進后圓筒式預熱裝置示意如圖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狀階梯槽內；②將預熱管豎直安裝在底座中心的環狀階梯孔內；③將預熱筒豎直安裝在底座表面的環狀凹槽內；④將第1片適用規格的預熱筒氣流板安裝在預熱筒內壁的第1級臺階上，然后將第1片適用規格的預熱管氣流板安裝在預熱管外壁的第1級臺階上，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，將預熱筒蓋板安裝在預熱筒頂部，完成預熱裝置的安裝；⑥將圓筒式或環狀等中空結構的碳纖維預制體產品裝在承料板上，預熱裝置位于產品料柱的內腔，料柱頂部放置1個蓋板，用以密閉料柱的內腔空間，防止漏氣；⑦通入碳源氣體后，首先經過爐體的進氣管將氣體送入到預熱裝置內進行預熱，隨后由預熱筒底部的出氣孔進入到料柱內部，通過擴散、對流等方式滲透到碳纖維預制體內部使其致密化。

圖6 預熱裝置安裝示意圖Fig 6 Installation diagram of preheating device

4 結語

由于現有結構的圓筒式預熱裝置存在熱輻射面積較小和氣體流通路徑較短等問題，在現有圓筒式預熱裝置結構的基礎上進行了優化改進。改進后的圓筒式預熱裝置，其內部安裝了若干氣流板，延長了氣體的流通路徑和滯留時間，且增加了熱輻射面積，能夠提高圓筒式預熱裝置的預熱效率達2倍以上。同時，相較于多孔板疊加式預熱裝置，在預熱效率相當的情況下，改進后的圓筒式預熱裝置將節省約20%的裝料空間。