热障涂层隔热性能数值分析

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1、第25卷第2期湖北工业大学学报2010年4月VOI．25NO．2JournalofHubeiUniversityofTechnologyApt．2010[文章编号]1003—4684(2010)02—0092—03热障涂层隔热性能数值分析黄涛，陈源，周明刚。，周敬东(湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068；2湖北工业大学机械．T-程学院，湖北武汉430068)[摘要]建立了热障涂层隔热分析的数值模型，讨论了涂层的厚度、导热系数及孔隙率对涂层隔热性能的影响，数值计算结果与实验吻合良好，同时也得到一些带有规律性

2、的有益的结论．[关键词]热障涂层；隔热性能；热传导；热对流；热辐射；有限单元法[中图分类号]TB303[文献标识码]：A热障涂层(Thermalbarriercoatings，TBC)通在隔热实验中，传热的3种方式一热传导、热对常指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂流和热辐射都起重要作用，因此在数值分析中3种层，它能有效降低部件基体的实际工作温度，显著提传热方式都需考虑．高其使用性能和寿命．目前使用较为广泛的热障涂1．1热对流层是以纳米氧化钇稳定氧化锆(YSZ)团聚粉末为原在加热炉内，高温燃气与涂层表面进行对流传料

3、，采用等离子喷涂工艺制备的_1]．热障涂层在航热，在炉外，基体背面与环境空气进行对流传热，热空发动机、燃气涡轮机等领域具有广泛的应用前景，对流可以用牛顿冷却方程来描述：为了进一步提高其隔热性能，近10年来国内外开展q—a3T．(1)了大量的研究工作，但是多以实验为主[1]．随着计式中，q为热流密度，w／m；0t为对流换热系数，W／算机技术和数值仿真技术的飞速发展，在前期大量(m·K)；△T为固体表面与周围流体的温度差，实验数据的基础之上，对热障涂层的隔热性能进行K．根据实验结果，高温燃气与涂层表面间的对流换数值分析可取得

4、较为准确的结果，并可取代部分实热系数为100～150w／(m。·K)，基体背面与环境验．本文首先建立热障涂层和基体传热的数值模型，空气问的对流换热系数为5O～100W／(m·K)．然后分别讨论涂层厚度、涂层的导热系数以及涂层1．2热辐射的孔隙率对隔热性能的影响，数值分析结果与实验高温燃气和涂层之间存在热辐射，它们之间的吻合较好，同时也得到了一些带有规律性的有益的净热量传递可以用斯蒂芬一波尔兹曼定律来计算：结论．E6=(一T；)．(2)式中，为高温燃气和涂层之间由热辐射传递的净1数值分析模型热量，W／m。；e为辐射率(黑度

5、)，T为高温燃气的温度，T为涂层表面的温度．热障涂层隔热实验的具体方法详见文献[1]，用1．3热传导有限单元法模拟隔热实验时，分析模型的示意图如涂层和基体之间主要通过热传导的方式进行传图1所示．热，热传导遵循傅里叶定律：热q=-20T源基体向．(3)传环境传热热式中，为导热系数，w／(m·K)；“一”表示热量流等离子喷涂热障涂层基体试样背面温度向温度降低的方向．图1数值分析模型示意图[收稿目期]2009—12-09[作者简介]黄涛(1977一)，男，湖北十堰人，湖北工业大学讲师，理学博士，研究方向：热障涂层实验及数值分析

6、．第25卷第2期黄涛等热障涂层隔热性能数值分析93温度越高稳态温度越p高＼巡．2各因素对热障涂层隔热性能的影响不同厚度涂层在不同热源温度下的隔热效果如∞O0∞印0如O加O图4所示．50O针对文献[2]中采用等离子喷涂工艺制备的纳米YSZ粉末热障涂层，分析涂层厚度、涂层导热系400p数与涂层孑L隙率对隔热性能的影响．300假设热源温度为T。，有TBC涂层的试样背面娲200温度为T，无涂层的试样背面温度为T，则带有l0080O10001200l4001600TBC涂层的试样温降为T0一T，无涂层的试样温热源温度／℃降为T0一

7、T，涂层的隔热性能△T一丁z—T-．A0．6mm；C0．8mm；C1．0mm；D1．2mm基体材料为45钢，尺寸为100mm×100mm图4不同厚度涂层在不同热原温度下的隔热效果×i0mill，导热系数7ow／(in·K)；高温燃气对涂ABCP层的辐射率根据经验取0．2．考虑对流、辐射和传图4定量给出了不同厚度涂层在不同热源温度导，采用有限元法对试样进行瞬态传热分析，计算直下的隔热效果，从图中可以看出，涂层越厚、热源温到试样背面的温度到达稳定为止．度越高隔热效果越好，隔热效果与涂层厚度和热源2．1涂层厚度对隔热性能的影响

8、温度都近似成线性关系．在该项讨论中，涂层的导热系数总是取2w／(rn2．2涂层导热系数对隔热性能的影响p＼赠·K)．当热源温度为1300℃，涂层厚度不同时，试涂层的导热系数与制备方法和涂层内部结构有样背面的温升曲线如图2所示．OOO∞O如O关，导热系数不同，会影响涂层的隔热性能．在该项讨论中，涂层厚度取0．6mm，热