热压罐温度均匀性仿真及实验对比

于广锋，郄 方，高大山，端木兵雷

（中航工程集成设备有限公司，北京 102206）

热压罐是利用高温高压气体制造复合材料的设备[1]。复合材料在热压罐内受到高温高压固化成型，可以降低孔隙率，改进力学性能，提高产品稳定性[2]。对复合材料成型质量的影响因素有热压罐温度场均匀性、升降温速率、产品配方、模具的导热性能等。

热压罐运行能源消耗大，运行成本高，因此提高产品经济性、降低能耗是热压罐产品追求的目标之一。合适的加热、冷却功率应该既能满足复合材料温度场需求，又没有过多的冗余量。近年来，在国内外相关研究中，针对复合材料成型所需的热压罐工艺及框架模具对温度均匀性的研究较多。主要采用理论-半理论公式计算[3-5]和CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）计算[6-11]两种方法。理论-半理论公式利用流动与传热理论模及经验公式可以快速获得平均温度计算结果，但无法得到详细的温度场均匀性结果；而CFD方法可以预测热压罐工作区域的温度均匀性，但是热压罐内部结构复杂，进行三维CFD计算需要花费较多计算机资源和计算时间。随着工程应用的复合材料构件尺寸越来越大、结构越来越复杂，热压罐长度和直径随之增大，大型热压罐内温度场和流场均匀性要求也越来越高，对热压罐设备本身的结构设计提出了新的挑战[12]。因此，需要一种快速并且可视化的计算模型用于热压罐的结构改进和参数优化设计。文章通过建立简化的二维轴对称CFD模型，快速求解热压罐流场和温度场，并对比CFD计算结果与实验结果，主要研究热压罐温度均匀性和升降温速率，计算模型应用于Φ5.5m×12m（直径5.5m，工作区域长度为12m）和Φ5m×6m两种热压罐。

1 CFD计算模型

1.1 简化和假设

采用二维轴对称模型简化，在结构方案阶段可以快速获得计算结果，指导结构设计的改进和优化的方向。简化和假设如下：（1）由于热压罐体结构主要为圆筒状，因此需要进行二维轴对称计算。（2）将罐壳体和保温层的导热系数采用当量传热系数处理。（3）计算空罐（不含模具及复合材料产品）的流场和温度场均匀性。（4）考虑风机进口和出口对流场和温度场的影响，忽略风机内部结构，使用UDF（用户自定义函数）计算风机入口（计算域出口）平均温度赋值给风机出口（计算域入口）。热压罐结构简化计算模型示意图如图1所示。

图1 热压罐结构简化计算模型示意图

1.2 控制方程

二维轴对称数值模拟模型控制方程如下：

（1）质量守恒方程：

式中：x为轴向坐标；r为径向坐标；vx为轴向速度；vr为径向速度。

（2）动量守恒方程：

（3）能量方程：

式中：λt为湍流导热系数；Qv为体热源，W/m3。

1.3 边界条件

分别计算Φ5m×6m（直径5m，工作区域长度为6m）的热压罐和Φ5.5m×12m热压罐的温度均匀性。空气采用不可压完全气体模型，Φ5m×6m热压罐流体区域表压力为1.2MPa，绝对压力为1.3MPa，Φ5.5m×12m热压罐流体区域表压力为310kPa。罐壳体外部为自然对流边界，环境温度为25℃。材料热物理参数如表1所示。根据表1中的材料热物理参数采用一维导热模型计算得出罐壳体的当量传热换热系数为0.5 W/（m2·K）。加热器采用多孔介质模型，孔隙率为0.9。换热器区域为多孔介质模型，厚度为730mm，惯性阻力系数C2＝10，孔隙率为0.5。工作区域平均风速为0.8～1.2m/s。根据质量守恒计算得出风机入口速度作为速度边界。

表1 材料热物理参数表

1.4 计算网格

计算网格如图2所示。网格类型为二维结构化四边形网格，网格数量分别为1.2万格和2.6万格，已相对于热压罐轴线对称显示。

图2 计算网格

1.5 计算设置

计算设置为k-ε湍流模型，标准壁面函数，运用SIMPLEC算法，一阶精度。进行非稳态计算，构建轴对称模型。

2 计算结果与实验对比验证

Φ5.5m×12m热压罐温度传感器布置如图3所示。其共有测温点60个，分为12组均匀布置。根据波音公司的标准BAC 5621，产品负载容积小于工作区容积10%时，可以空载进行均匀性测量。

测温点平均温度随时间变化曲线如图4所示。由图4可知，Φ5.5m×12m热压罐升温曲线为阶梯形，即以一定速率升温之后进行保温，然后继续升温。Φ5m×6m热压罐经过几次升温和保温之后再降温，升降温过程中罐内压力恒定。

实验测量点升温速率如图5所示。Φ5.5m×12m热压罐从常温升温至250℃全过程温度变化速率为-0.6～5.2℃/min，保温阶段的温度变化速率小于±0.2℃/min。Φ5m×6m热压罐从常温升温至250℃后降温至131℃全过程温度变化速率为-14～7℃/min，保温阶段的温度变化速率小于±1℃/min。两个热压罐的温度控制精度良好。

图3 Φ5.5m×12m热压罐测温点示意图

图4 实验测量点平均温度变化曲线

图5 实验测量点平均温度变化速率曲线

图6 实验测量点温度偏差

从图5、图6可以看出，温度均匀性与升温速率具有强烈的相关性，升温越快，温度均匀性越差；保温阶段的温度均匀性最好。由于保温阶段的温度均匀性很好，可以满足设备使用需求，因此文章CFD计算未考虑保温阶段，仅对比研究温度场均匀较差的动态升温和降温过程。为了与CFD模拟进行对比，去掉了实验曲线的保温过程，并平移时间轴，使实验曲线变为连续曲线。去掉保温阶段之后的温度变化曲线如图7所示。由图7可以看出，实验结果与CFD计算结果温度变化相差不大，验证了文章计算方法的合理性。

图7 工作区域平均温度变化（不计保温阶段）

温度变化速率（不计保温阶段）对比结果如图8所示。由图8所示，Φ5.5m×12m热压罐的CFD计算结果温度变化速率基本稳定在4℃/min，实验结果曲线温度变化速率为1.0～5.2℃/min。Φ5m×6m热压罐的CFD计算结果温度变化速率基本稳定在3℃/min，实验结果曲温度变化速率为-14～7℃/min。

图8 工作区域温度变化速率(不计保温阶段)

工作区域温度偏差（不计保温阶段）对比结果如图9所示。Φ5.5m×12m热压罐CFD计算结果温度偏差为-1.0～1.0℃，实验结果温度偏差为-6.2～6.2℃。Φ5m×6m热压罐CFD计算结果温度偏差为-1.4～1.4℃，实验结果温度偏差为-5.6～5.6℃。

图9 工作区域温度偏差结果对比(不计保温阶段)

Φ5.5m×12m热压罐t=50min温度云图CFD结果如图10所示。由图10可以看出工作区域温度很均匀。

图10 Φ5.5m×12m热压罐t=50min温度云图CFD结果（单位：℃）

Φ5m×6m热压罐t=80min温度云图CFD结果如图11所示。由图11可以看出工作区域温度很均匀。

图11 Φ5m×6m热压罐t=80min温度云图CFD结果（单位：℃）

3 结论

文章对热压罐系统速度场和温度场进行数值模拟，得出了以下结论，为优化热压罐结构设计和系统参数选择提供了技术支持。

（1）Φ5.5m×12m热压罐CFD计算温度变化率为4℃/min，实验结果为1.0～5.2℃/min；Φ5m×6m热压罐CFD计算温度变化速率为3℃/min，实验结果为-14～7℃/min。Φ5.5m×12m热压罐CFD温度偏差小于±1℃，实验结果为-6.2～6.2℃；Φ5m×6m热压罐CFD温度偏差小于±1.4℃/min，实验结果为-5.6～5.6℃。

（2）Φ5m×6m热压罐的温度均匀性好于Φ5.5m×12m热压罐的温度均匀性。Φ5m×6m热压罐长径比值为1.2，而Φ5.5m×12m热压罐长径比值为2.2。大长径比热压罐的加热器距离流场中心的相对距离更远，因此采用相同结构布置的热压罐，大长径比热压罐温度均匀性较差。

（3）长径比数值较大的热压罐一般采用冷却器和加热器布置于热压罐尾部的结构。长径比数值较小的热压罐，由于温度均匀性控制较容易，因此冷却器和加热器布置方式较灵活，除了采用经典的冷却器和加热器布置于热压罐尾部的结构，还可以采用将冷却器和加热器放置于地板下方的方式，缩短罐体长度。对于热压罐轴线，冷却器和加热器为非对称布置，因此热压罐结构有必要采用整流网，以此增强流场与温度场的均匀性。

（4）为改进罐内温度均匀性，可以减小升温速率或采用阶梯形升温曲线。以较小的升温速率，升温后进行保温，待产品温度均匀之后再继续升温。