Fluent对碳纤维预氧化炉优化设计的可行性分析
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Ｙ Ｎ Ｌａ ｇ， ＨＵ Ｂ ＪＮ Ｙ ｇ， Ａ ｈ ｎ － ｕ Ａ ｉｎ Ｚ ｏ， ｌ 矾 Ｗ ＮＧ Ｃ ｅｇ ｇ ｏ （ｃｏｌ ｆ ａ ｒ ｌ Ｓｉ ｃ ｎ ｎｉ ｅ ｎ ，ｈｎｏｇＵ ｉ ｒｔ，ｉ ｎ２０６ ，ｈｎ） Ｓｈｏ ｏ ｔｉ ｓ ｃｅ ｅａｄＥ ｇ ｅｒｇ Ｓａｄｎ ｎｖ ｓｙＪ ａ ５０ １Ｃ ｉａ Ｍ ｅ ａ ｎ ｎ ｉ ｅｉ ｎ
ｔｅ ｑ ａｉ ｎ ｆ ｃｅ ｃ ｆｃ ｂ ｎ ｆ ｅ ｉ ｃｌ ．Ｉ ｈｓ ｐ ｐ ｒ ｌ ｕ ｎ ｓ ｕ ｅ ａｃ ｌｔ ｈ ｉ ａ ｏ ｆｐ ｅ ｏ ｉａｉｎ ｆ ｒ ａ，， ｈ ｕ ｌ ａ ｄ ｅ ｉｉｎ ｙ ｏ ａ ｏ ｂ ｒｄｒ ｔ ｙ ｔ ｒ ｉ ｅ ｙ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，Ｆ ｅ ｔ ｗａ ｓ ｄ ｔ ｃ ｕａｅ ｔｅ ｓ ｕ ｔ ｎ ｏ ｒ－ ｘｄ ｔ ｕ ｃ ｏ ｌ ｔ ｉ ｏ ｕ ￣
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ：Ｆｕ ｎ ；Ｐｅｏ ｉａｉｎｆｒａｅ ａｂ ｎｆ ｅ－ｅｎｏｅｄｍａ ｒ ｓ ｌ ｅｔ ｒ．ｘｄｔ ｕｎ ｃ ；Ｃ ｏ ｂｒｉｉｆｒｅ ｔ ｉ ｏ ｒ ｌ ： ｅａ ｌ
碳 纤维 是 一 种 碳 含 量 超 过 ９ ％ 的纤 维 状 碳 材 ０
约 能耗 都具 有重 要意 义 。
工艺 参数 的另 一个 重要指 标 。 ． 反应 热 的瞬 时带 走 主要 是 靠 炉 内空 气 的对 流。
拟 效果 ， 于对数 据进 行 的更进 一步分 析 。 便
通过对前 处 理过 程 生 成 网 格得 调 整 建 立物 理模 型 ，
化 速度 。如果 温度 高 ， 氧化过 快 ， 维 皮层很 快形成 纤
较致 密 的梯 型结构 ， 阻挡 氧结 构 向内扩 散速率 ， 容易 形成 不希 望 的皮 芯 结 构 。所 以 ， 氧化 温 度 范 围在 预 ２０—３０ ｏ 并 要 求 形 成 温 度 梯 度 ， ０ ０ Ｃ， 由低 温 到 高 温 逐步 氧化 。 同时 要 求 内炉 膛 的 横 向温 控 精 度 达 到 ±２Ｃ， 向的恒 温 区 应 为 总炉 长 的 ９ ％ 以上 ， 纵 ｏ ０ 充
利 用 Ｆｕｎ 对预 氧 化 炉 内状 况 进 行 模 拟 计 算 ， 到 炉 内热 空 气 的 流 动 速 度 场 、 度 场 和 压 力 场 。Ｆｕｎ 为 我 们 的 研 究 ｌｅｔ 得 温 ｌｅｔ
工 作 中提 供 了一 种 快 捷 、 确 、 成 本 的 的手 段 ， 对 于优 化 炉 体 的设 计 具 有 非 常 重 要 的 意义 。 准 低 这
由上 式 可知 ： 化 温度 愈 高 ， 散 系 数越 大 ， 氧 扩 氧 向纤维 内部 的扩散 速率 愈快 ， 结构 转化 愈大 。因此 ， 氧化 从低 温 开始 ， 慢 进行 ； 步 升 高 温 度 ， 缓 ‘ 逐 加快 氧
格 ， 而使前 处理 操作 更加 便捷 。 从
Ｆ ｅｔ ｌ ｎ 软件 的核 心部 分 是采 用 有 限体 积法 的纳 ｕ 维 一斯 托克 斯方 程 组 求 解 模 块 。在 该操 作 过 程 中 ，
ｉ ｒｄ ｃｎ ａ ｂ ｎ ｆｂ ｒｐｏ ｉｅ ｕｃ ｎ ｐ ｏ ｕ ｉｇ ｃ ｒ ｏ ｅ ｒｖｄ ｓａ ｑ ｉｋ，ａ ｃ ｒ ｔ ｓｗｅｌａ ｏ ｃ ｓ ｙ ｔ ｎ ｅ ｔｇ ｔ ｅ ｓｒ ｃｕ ｅ ｏ ｒ — ｘｄ ｔ ｎ ｆ ｒａ ｅ ｆｒ ｉ ｃ ｕ ａｅ ａ ｌ ｓ ｌｗ ｏ ｔｗａ ｏ ｉ ｖ ｓｉａｅ ｔ ｔｕ ｔｒ ｆｐ ｅ ｏ ｉａｉ ｕｎ ｃ ｏ ｈ ｏ ｏ ｒｒ ｓａ ｃ ｒ ｕ ｅ ｅ ｒ ｈ ｗｏｋ，ｗｈｃ ｓｖ ｒ ｉｎｆ ａ ｔｔ ｐｉ ｚ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｎ ａ ｅ． ｉｈ ｉ ｅｙ ｓｇ ｉｃ ｎ ｏｏ ｔｍｉｅ ｔｅ ｄ ｓｇ ｆｆ ｉ ｕｒ ｃ
同之处 在 于 Ｔ ｆ ｇ ｄ可 以从 已有边界 网格 中生成 网格 ， ｉ
９７
纤 维生 产 中的关键 设备 预 氧化炉 Ｆｕｎ 优 化 设计 进 ｌｅｔ
行 了可行 性 分析 。用 Ｆ Ｕ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ软件 可 以在较 低 的投 入成 本下 ， 通过 建 立 一个 比较 接 近 实 际情 况 的三 维 数学 模 型 ， 对炉 体 的 内部 温度 场 、 度 场 、 力 场 等 速 压 进行模 拟 ， 到预 氧化炉 中的运行状 况 的有效 数据 ， 得 为碳纤 维 预氧化 炉 的进 一步 研究提 供有 效 的分析 手 段 ， 对 降低碳纤 维 生产 成 本 、 高 碳 纤 维 质 量 、 这 提 节
根 据实 际情况 设 立边 界 条 件 ， 过 一 定 的算 法 进 行 通
数值模 拟 。处理 过程 一般用 压 力校正 法作 为低速 不
可压 流动 的计 算 方 法 ， 括 ＳＭ Ｌ 、 Ｉ Ｌ Ｒ ＳＭ． 包 Ｉ Ｐ Ｅ ＳＭＰ Ｅ 、 Ｉ Ｐ Ｃ ＰＳ Ｅ Ｌ 、 ＩＯ等 ， 对可 压缩 流 动采 用耦 合法 ， 而 即连 续 性方程、 动量 方程 、 量方 程联 立求解 。 能
分利 用 内炉膛 的有 效 空 间 ， 并使 在炉 膛 内运 行 的丝
束处 于 同一温度 场 ， 这样 可 制 得 氧化 程 度 基 本 一样
的均 质预 氧丝 。 在预 氧化 过程 中 主要 发生 ３种类 型 的反 应 ： 环
Ｆｕｎ 软件 的后 处理 软 件 Ｔ ｃｌ ， 作 简单 ， ｌ ｔ ｅ ｅｐｏ 操 ｔ 功
关 键 词 ： Ｆ ｅ ； 氧化 炉； ｌ ｎ预 ｕｔ 碳纤 维增 强材料
Ｆｅ ｓｂｉ ｔ ａ ｙ ｉ ｏ ａ ｉ ｌ ｙ Ａｎ ｌ ｓｓ Ａｂ ｕｔＯｐｔｍ ｉｅ ａ ｄ Ｄｅ ｉ ｎ ｉ ｉ ｚ ｎ ｓｇ ｏ ｈ ｒ ｏ ｂ ｒ Ｐｒ — ｘ ｄ ｔｏ ｒ ｃ ｙ Ｆｌ ｎｔ ｆｔ ｅ Ｃａ ｂ ｎ Ｆｉ ｅ ｅ ｏ ｉ ａ ｉ ｎ Ｆｕ ｎａ ｅ ｂ ｕｅ
料 ， 以有机 纤维— — 聚丙 烯 晴 （ Ａ ） 维 、 是 ＰＮ纤 粘胶 纤 维、 沥青 纤维 等原 丝 经 过 预 氧化 、 碳化 、 墨化 等 高 石 温 固相反 应工 艺过 程 制 备 而 成 ， 由有 择优 取 向 的石 墨微 晶构 成 ， 而 具 有 很 高 的强 度 和 弹性 模 量 （ 因 刚 性） 。它 的 比重 一 般 为 Ｉ ７ ．０～１ ８ ／ ｍ ， 度 为 ．０ ｇ ｃ ３ 强
非 常广 泛 ，主要 范 围可 归 结 如 下 ：（ ）可 压 缩 与 不 １ 可压 缩流 动 问题 。（ ）稳 态 和 瞬态 流 动 问题 。 （ ） ２ ３
性能使碳 纤维 成 为 一 种重 要 的建 筑 材料 ， 碳 纤 维 像 增 强混凝 土 ， 碳纤 维加 固材 料 ， 纤维 复合力 筋 等建 碳
筑材料 已经在 国内外得 到广 泛 的应用 ” 。该 文 就碳
无粘 流 、 流 及湍 流 问题 。（４ 层 ）牛 顿流 体及 非 牛 顿
流体 。（ ）对 流 换 热 问题 （ 括 自然 对 流 和 混合 对 ５ 包 流） ６ 。（ ）导热 与 对 流 换 热 耦 合 问 题 。 （ ）辐 射 换 ７ 热 。（ ）惯 性 坐标 系和 非惯 性 坐标 系下 的流 动 问题 ８ 模拟 。（ ）一维 风扇 、 交换 器性 能计算 。（０ 可 以 ９ 热 １） 处理 热量 质量 动量 和化 学组 分 的源项 等 。 如 图 １ 示 ，ｌｅｔ 件 的 结 构 由前 处 理 、 解 所 Ｆｕｎ 软 求 器及 后 处 理 三 大 模 块 组 成 。 Ｆｕｎ ｌｅｔ软 件 中 采 Ｇ ＭＢＴ及 Ｔ ｆ Ａ Ｉ ｇ ｄ作 为 专 用 的 前 处 理 软 件 。二 者 不 ｉ
ｎ ｅ ｉ ａｅ ｆ ｌ ａ ｄ ｇ ｔｔ ｅｆｕｄ ｒｔ ｅｄ， ｔｍｐ ｒｔｒ ｅｄ ａ ｄ ｐ ｅｓ ｆ ｌ ｎ ｌａｍｏ ｐ ｅ ｅ ｉ ｒ － ｘｄ ｔｏ ｎ ｃ ｈ ｌ ｉ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｌ ｎ ｒｓ ｅｄ ｏ ｗａ ｌ ｔ ｓ ｈ ｒ ｎ ｐ ｅ ｏ ｉ ａｉｎ ｆ ａ ｅ．Ｔｈ ｐ ｌ ａｉｎ ｏ ｕ ｎ ｉ ｉ ｆ ｕｒ ｅ ａ ｐｉ ｔｏ ｆＦ ｅ ｔ ｃ ｌ
能强 大 ， 具有 三维 显示 功能 来展 现各种 流 动特性 ， 并
能 以动 画模拟 实 际过 程 ， 而 以直 观 的形 式 展 示模 从
化反 应 、 氢 反应 和氧 化反 应 。这 ３种类 型 的反 应 脱 都是 放热 反应 ， Ａ Ｐ Ｎ纤 维 释放 出 约 １００ ｋＭ ｋ ０ ｅ ／ｇ的 热量 。如 何瞬 时带走 反应 热是设 计 预氧化 炉和 制定
Ａｂ ｔａ ｔ Ａ ｈ ｅ ｑ ｉｍｅｔｉ ｈ ａｂｎｆ ｅ ｒｄ ｃｎ ｒｃ ｓ，ｔｅ ｓ ｕｔｒ ａｉｎ ｉ ｆｐｅｏ ｉａｉｎｆｒａ ｅｉｆ ｅ ｃｓ ｓｒ ｃ ： ｓｔｅｋ ｙｅｕｐ ｎ ｔｅｃ ｒｏ ｂ ｒｐｏ ｕｉｇｐｏｅｓ ｈ ｔ ｃｕｅｒｔ ａ ｔ ｏ ｒ—ｘｄｔ ｎ ｃ ｎ ｕ ｎｅ ｎ ｉ ｒ ｏｌ ｙ ｏ ｕ ｌ
胀 系数接 近于 零 。碳 纤 维 同 时具 有 高 比强度 、 比 高 模量 、 耐高 温 、 耐腐蚀 、 疲劳 、 耐 抗蠕 变 、 电、 热 和 导 传 热膨胀 系数 小 等一 系列优 异性 能 。这 些优 良的综合
采用适 合 于它 的数 值 解 法 以 在计 算 速 度 、 定 性 和 稳 精 度等 方 面 达 到最 优 。Ｆ Ｕ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ软件 的应 用 范 围
１２ ０ ０ ａ 弹性 模 量 为 ２ ０～４ ０Ｇ ａ 热 膨 ０ ～７０ ０ＭＰ ， ０ ０ Ｐ ，
１ Ｆｕ ｎ 软 件 特 点 ｌｅ ｔ
Ｆｕｎ 作 为 目前 Ｃ Ｄ主 流商 业 软件 ， 市 场 占 ｌｅｔ Ｆ 其 有率 达 ４ ０％左 右 。该 软件设 计 是 基 于 Ｃ Ｄ计 算 机 Ｆ 软件 群 的概念 ， 针对 每 一种 流动 的物理 问题 的特 点 ，
２０ ０９年
第 ３卷 Ｏ
第 １ 期
４ 傩
３９ ０６
Ｐ Ｎ 型分子链 Ａ线
２％ ０ ｌ９ ０６ 璜氧化的耐热梯型结构
图 ２ Ｐ Ｎ原 丝 经 预 氧 化 后 的结 构 转 化 Ａ
经 向密度 分 布基本 一致 。均 质预 氧丝是 制造 均质碳 纤维 的前 提 ， 是 提 高碳 纤 维 抗 拉 强 度 的有 效 技术 也 途 径之 一。 如何控 制 氧的扩 散速率 来获 得均质 预 氧 丝 是设计 碳纤 维预 氧化 炉 的关 键所 在 。 在 预 氧化 过 程 中 ， 向纤 维 内 的扩 散速 率 与 氧 氧
２０ ０ ９年
第 ３ ０卷
第 １百度文库期
Ｆｕ ｎ 对 碳 纤 维预 氧化 炉 优 化 设 计 的可 行 性 分 析 ｌｅ ｔ
闫 ， 波 金 亮 朱 ， 杨， 成 王 国
（ 山东 大学材 料科 学 与工 程学 院 ， 济南 ２０ ６ ） ５０ １
摘 要 ： 预氧化 炉是 生产碳 纤维的关键 设备 ， 结构的合理性 将直接对碳 纤维的生产 质量及 效率产 生影响。该 文 其
图 １ Ｆ ｅ ｔ 件 结 构 图 ｌ ｎ软 ｕ
化 温度有 关 。扩散 系数 为 ：
３ ０ ０ ｇｅｐ 一６ ｃｌ ｏ） ． ×１７ ｘ （ １ｋａ ｍ １ ／
』 』
ＧＭＩ Ａ ＢＴ自身就 可 以生成 几 何 图形 和 划分 网格 。另 外 程序本 身 也提 供 了成 熟 的接 口 ， 们 可 以直 接 通 他 过 Ｃ Ｄ、 Ａ Ａ Ｃ Ｅ等 辅 助 软 件 生 成 的几 何 形 状 划 分 网
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碳 纤维 是 一 种 碳 含 量 超 过 ９ ％ 的纤 维 状 碳 材 ０
约 能耗 都具 有重 要意 义 。
工艺 参数 的另 一个 重要指 标 。 ． 反应 热 的瞬 时带 走 主要 是 靠 炉 内空 气 的对 流。
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通过对前 处 理过 程 生 成 网 格得 调 整 建 立物 理模 型 ，
化 速度 。如果 温度 高 ， 氧化过 快 ， 维 皮层很 快形成 纤
较致 密 的梯 型结构 ， 阻挡 氧结 构 向内扩 散速率 ， 容易 形成 不希 望 的皮 芯 结 构 。所 以 ， 氧化 温 度 范 围在 预 ２０—３０ ｏ 并 要 求 形 成 温 度 梯 度 ， ０ ０ Ｃ， 由低 温 到 高 温 逐步 氧化 。 同时 要 求 内炉 膛 的 横 向温 控 精 度 达 到 ±２Ｃ， 向的恒 温 区 应 为 总炉 长 的 ９ ％ 以上 ， 纵 ｏ ０ 充
利 用 Ｆｕｎ 对预 氧 化 炉 内状 况 进 行 模 拟 计 算 ， 到 炉 内热 空 气 的 流 动 速 度 场 、 度 场 和 压 力 场 。Ｆｕｎ 为 我 们 的 研 究 ｌｅｔ 得 温 ｌｅｔ
工 作 中提 供 了一 种 快 捷 、 确 、 成 本 的 的手 段 ， 对 于优 化 炉 体 的设 计 具 有 非 常 重 要 的 意义 。 准 低 这
由上 式 可知 ： 化 温度 愈 高 ， 散 系 数越 大 ， 氧 扩 氧 向纤维 内部 的扩散 速率 愈快 ， 结构 转化 愈大 。因此 ， 氧化 从低 温 开始 ， 慢 进行 ； 步 升 高 温 度 ， 缓 ‘ 逐 加快 氧
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根 据实 际情况 设 立边 界 条 件 ， 过 一 定 的算 法 进 行 通
数值模 拟 。处理 过程 一般用 压 力校正 法作 为低速 不
可压 流动 的计 算 方 法 ， 括 ＳＭ Ｌ 、 Ｉ Ｌ Ｒ ＳＭ． 包 Ｉ Ｐ Ｅ ＳＭＰ Ｅ 、 Ｉ Ｐ Ｃ ＰＳ Ｅ Ｌ 、 ＩＯ等 ， 对可 压缩 流 动采 用耦 合法 ， 而 即连 续 性方程、 动量 方程 、 量方 程联 立求解 。 能
分利 用 内炉膛 的有 效 空 间 ， 并使 在炉 膛 内运 行 的丝
束处 于 同一温度 场 ， 这样 可 制 得 氧化 程 度 基 本 一样
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Ｆｕｎ 软件 的后 处理 软 件 Ｔ ｃｌ ， 作 简单 ， ｌ ｔ ｅ ｅｐｏ 操 ｔ 功
关 键 词 ： Ｆ ｅ ； 氧化 炉； ｌ ｎ预 ｕｔ 碳纤 维增 强材料
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非 常广 泛 ，主要 范 围可 归 结 如 下 ：（ ）可 压 缩 与 不 １ 可压 缩流 动 问题 。（ ）稳 态 和 瞬态 流 动 问题 。 （ ） ２ ３
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２０ ０９年
第 ３卷 Ｏ
第 １ 期
４ 傩
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Ｐ Ｎ 型分子链 Ａ线
２％ ０ ｌ９ ０６ 璜氧化的耐热梯型结构
图 ２ Ｐ Ｎ原 丝 经 预 氧 化 后 的结 构 转 化 Ａ
经 向密度 分 布基本 一致 。均 质预 氧丝是 制造 均质碳 纤维 的前 提 ， 是 提 高碳 纤 维 抗 拉 强 度 的有 效 技术 也 途 径之 一。 如何控 制 氧的扩 散速率 来获 得均质 预 氧 丝 是设计 碳纤 维预 氧化 炉 的关 键所 在 。 在 预 氧化 过 程 中 ， 向纤 维 内 的扩 散速 率 与 氧 氧
２０ ０ ９年
第 ３ ０卷
第 １百度文库期
Ｆｕ ｎ 对 碳 纤 维预 氧化 炉 优 化 设 计 的可 行 性 分 析 ｌｅ ｔ
闫 ， 波 金 亮 朱 ， 杨， 成 王 国
（ 山东 大学材 料科 学 与工 程学 院 ， 济南 ２０ ６ ） ５０ １
摘 要 ： 预氧化 炉是 生产碳 纤维的关键 设备 ， 结构的合理性 将直接对碳 纤维的生产 质量及 效率产 生影响。该 文 其
图 １ Ｆ ｅ ｔ 件 结 构 图 ｌ ｎ软 ｕ
化 温度有 关 。扩散 系数 为 ：
３ ０ ０ ｇｅｐ 一６ ｃｌ ｏ） ． ×１７ ｘ （ １ｋａ ｍ １ ／
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