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该研究提出了一种结合计算流体动力学（ Computational Fluid Dynamics；CFD）与数据驱动的分析框架，以此系统评估传热系数（Heat Transfer Coefficient；HTC）的空间分布及其对多参数耦合下固化行为的影响。研究团队首先通过量热仪实验测量了工业级热压罐内不同位置的HTC分布，发现HTC随高度位置变化显著，且受压力影响较大。在此基础上，建立了包含真
实几何形状的高保真CFD模型，成功模拟了流场与HTC分布，并通过不同厚度层合板的固化实验验证了模型预测温度场与固化行为的准确性。进一步结合正交实验设计与Spearman相关分析和回归建模，定量揭示了固化保温温度是影响层合板中心最高温度的主因，而升温速率和模具表面厚度则主要控制不同HTC位置间的温差与固化度差异。该框架为优化大型复合材料构件固化工艺、降低温度梯度提供了理论依据与快速预测工具。
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在航空级复合材料构件的热压罐成型工艺中，罐内空气与模具/复合材料之间的对流传热是主要的热量传递方式，其强度通常用HTC来表征。然而，由于模具几何形状的遮挡效应以及构件在罐内放置位置的不同，HTC呈现出显著的空间不均匀性。这种不均匀性会导致大型复合材料部件内部出现非均匀的温度分布，过大的温度梯度进而诱发残余应力和固化变形，严重影响构件的力学性能与尺寸精度。更为棘手的是，在固化工艺的保温阶段，为了避免低温区域欠固化，工艺程序通常由低温热电偶控制，这会导致高温区域出现超过预设保温阈值的“温度过冲”现象，引起不必要的过度固化。文章指出，尽管已有研究分别探讨了多种因素对固化行为的影响，但缺乏对多参数交互作用及其优先级的定量分析，特别是针对HTC空间分布与工艺参数耦合效应的系统性研究尚属空白。
该研究建立了一套集实验测量、高保真数值模拟与数据驱动分析于一体的综合研究方法。首先，文章通过实验手段对工业级热压罐内的HTC分布进行了表征。研究者使用集总热容式量热计，在罐内9个不同位置（不同高度和距门距离）测量了加热过程中的HTC，并分析了工艺参数对HTC的影响。在此基础上，研究团队构建了一个考虑椭球形封头和H型槽分流板真实几何形状的高保真计算流体动力学模型。该模型采用Spalart-Allmaras湍流模型求解流场，并通过用户自定义函数耦合了树脂固化反应动力学方程与能量方程，实现了对固化过程中热-化学双向耦合行为的精确瞬态模拟。为了探究多参数交互影响，文章采用四因子两水平正交试验设计，系统考察了复合材料层板厚度、模具表面厚度、升温速率和保温温度四个参数，在高HTC位置（位置①）和低HTC位置（位置⑦）分别模拟固化过程，响应变量包括中心最高温度、最大温差（ΔT）和最大固化度差（Δα）。
图1 热压罐内三种传热模式的示意图
图2 (a) 流速测量；(b) 量热计示意图；(c) 温度和压力循环曲线；(d) 热压罐内不同量热计位置的示意图
图3 (a) 高保真CFD模型；(b) H型槽前部与后部气流调节器的图像
图4 (a) 三个位置P1、P2和P3的流速测量结果；(b) 位置①的实测温度与传热系数；(c) 热压罐内九个位置的平均传热系数实测值
图5 量热计置于位置⑤时的稳态流场：(a) 热压罐中平面的速度矢量图；(b) 热压罐内部流线；(c) 带箭头的流线图
研究结果揭示了HTC分布规律及多参数影响的明确层次关系。实验与CFD模拟均表明，HTC在罐内呈现显著的位置依赖性，底部平均HTC高达101±2 W/m²·K，而顶部则降至66±11 W/m²·K，这归因于底部较高的气流速度。通过对比数据可以发现，加热速率对固化行为的影响显著，当加热速率从1℃/min增至3℃/min时，高低HTC位置间的最大温差呈现出明显上升趋势，其Spearman相关系数高达0.92。同时，高低HTC位置间的最大固化度差异也随加热速率增加而扩大，相关系数为0.81。此外，保温温度是影响层板中心最高温度的最主要因素，其Spearman相关系数达到0.92，表明将保温温度从190℃降至170℃可有效抑制因放热反应引起的温度过冲。在应用层面，该研究建立的回归模型具有极高的预测精度，例如Tmax①的回归模型R²值达到98.73%，能够根据给定的工艺参数快速预测固化行为。
图6 仿真与实验结果对比：(a) 稳态传热系数及相对误差；(b) 位置⑤的瞬态温度曲线
图7 (a) 三种厚度复合材料层合板的仿真放热曲线；位置①和位置②固化层合板中心仿真与实验温度曲线对比：(b) 5毫米 (c) 10毫米 (d) 20毫米
图8 各参数之间的Spearman相关系数
图9 ΔT①−⑦_max回归方程的可视化
文章通过量热计测试成功获得了热压罐内HTC的位置依赖性，其差异主要由不同高度的流速和涡流分布导致。其次，所开发的高保真CFD模型能够准确预测HTC分布和复合材料的固化行为，验证结果表明，层板中心温度过冲和最大温差随层板厚度增加而增大。最后，通过Spearman相关分析和回归分析，明确了多参数影响的优先级：层板中心最高温度主要受保温温度控制，其次是层板厚度；而高低HTC位置间的最大温差和最大固化度差异则主要由升温速率和模具表面厚度决定。该项研究的意义在于，它为优化大型复合材料构件的热压罐成型工艺提供了明确的、可量化的指导原则。例如，为提高生产效率而增加升温速率时，适当降低保温温度可以缓解温度过冲；在共固化大型或多腔体部件时，减小模具厚度、降低升温速率和保温温度有助于缩小热区与冷区之间的温度和固化度梯度，从而提升整体固化质量的均匀性。
原始文献：
Hu, W., Gong, B., Wang, T., Chen, C., Lai, X., Liu, C., Wang, H., & Peng, H.-X. (2026). A CFD and data-driven framework for predicting curing behavior under variable thermal boundary conditions. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 206, 109802.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2026.109802
