热障涂层微结构对其热辐射特性影响的数值研究

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1、上海交通大学硕士学位论文热障涂层微结构对其热辐射特性影响的数值研究硕士研究生：张博静学号：1110209153导师：赵长颖教授申请学位：工学硕士学科：动力工程及工程热物理所在单位：机械与动力工程学院答辩日期：2014年2月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheMasterDegreeNUMERICALSTUDYONMICROSTRUCTURALEFFECTONTHERADIATIVEPROPERTIESOFTHERMALBARRIERCAOT

2、INGS(TBCs)Candidate：BojingZhangStudentID:1110209153Supervisor：Prof.ChangyingZhaoAssistantSupervisor:Prof.AcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：EngineeringThermo-physicsAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofDefence：February,2014Degree-Conferring-I

3、nstitution：ShanghaiJiaoTongUniversity热障涂层微结构对其热辐射特性影响的数值研究摘要由于热辐射的本质是电磁波，具有波的性质，所以当微结构尺度与波长相当或者更小时，传统的忽略波特性推导出的热辐射传递方程是不完全适用的。传统的几何光学方法在计算微结构的热辐射特性时没有考虑到干涉效应的影响，这种假设在微结构大于波长的时候是适用的，但当微结构小于波长时，这种方法就失效了，从而限制了几何光学方法的应用范围。本文对传统的几何光学方法进行了改进，考虑了波的干涉效应，并以随机粗糙表面作为应用背景，结果表面改善的几何光学

4、方法在计算微结构热辐射特性时适用的范围更广。本文主要使用时域有限差分方法研究了热障涂层微结构对辐射特性的影响关系。本文通过使用SEM扫描得到热障涂层的微观形貌照片，然后对微观形貌进行分析，把APS涂层的微观结构分成不同的微结构，即圆形空洞、椭圆形空洞和狭长型裂纹;把EBPVD涂层的微结构分成柱状和羽状。通过改变微结构的参数，本文利用FDTD求解电磁场的方法，得到不同微结构对辐射传输的影响，从而得到微结构与辐射特性的关系。本文重点研究了APS涂层中孔隙率、空洞的大小、排列方式、微裂纹的大小和朝向以及EBPVD涂层中柱状晶体大小、柱间间隔等羽

5、状间隔等微观结构参数对涂层衰减系数的影响关系。本文研究的结果对于精确计算热辐射能量传递和指导涂层的喷涂过程有很大的价值。关键词：几何光学方法，干涉效应，时域有限差分方法，热障涂层、微观结构，辐射特性-I-NUMERICALSTUDYONMICROSTRUCTURALEFFECTONTHERADIATIVEPROPERTIESOFTHERMALBARRIERCAOTINGS(TBCs)ABSTRACTInessence,radiationisonekindofelectromagneticwavewhichcanbedescribedbyt

6、heMaxwellequations.Thetraditionalradiationtransferequationsarenotcompletelyapplicablewhenthemicrostructureissmallerthanthewavelength.Inthispaper,theconventionalgeometricalopticsray-tracingapproachisimprovedbyconsideringtheinterferenceeffect.Fourdifferentroughsurfacesarege

7、nerated,andtheirreflectionpropertiesarestudiedbyusingthegeometricalopticsray-tracingmethodandthefinitedifferenttimedomainmethod.Throughtheanalysisandcomparisonoftheresults,theeffectoftheinterferenceeffectisevaluatedinthegeometricalopticsray-tracingmethod.Exceptforsmallinc

8、idenceanglesorweakroughness,theinterferenceeffecthasasignificanteffectontheresultspredictedbythe