基于流固耦合热障涂层涡轮叶片应力场的数值模拟

摘要

热障涂层因其良好的高温隔热效果而广泛应用于航空发动机涡轮叶片，但是涂层在服役过程中的剥离失效严重制约了航空发动机的使用寿命。因此，认识热障涂层的破坏失效机理对于提高叶片使用寿命尤为重要。高温环境与应力集中是涂层内裂纹萌生和扩展的根本原因。本文采用流固耦合的方法计算得到热障涂层涡轮叶片服役过程中温度和应力分布，主要研究内容和结果如下：
　　(1)本文建立了热障涂层涡轮叶片流固耦合理论模型，流体域湍流核心区解时均化的N-S方程，壁面边界层不直接求解微分方程而是用半经验公式模拟近壁区温度、速度等物理变量。固体域采用共轭热传导理论求解温度场，将温度场作为预定义场变量，利用热弹塑性理论求解固体域应力场。耦合边界处温度和热流连续。
　　(2)本文实现了热障涂层流固耦合的数值模拟过程，流体模型和固体模型分别采用FLUENT软件和ABAQUS软件单独进行计算，耦合界面通过MPCCI实现温度和对流换热系数等物理变量的数据传递。ABAQUS软件中利用布尔相减和布尔相加技术建立多层复杂几何结构的二维热障涂层几何模型，网格划分过程中，靠近氧化层附近区域采用四边形为主、三角形为辅的网格策略，给定位移和热边界，建立固体域计算模型。本文流体域采用ICEM CFD软件进行结构化网格划分，考虑边界层物理变量梯度效应，加密边界层附近网格密度。为了实现流体和固体之间的共轭热传导，固体域传递壁面温度到流体模型，反过来流体域传递膜温度和对流换热系数到固体域，当固体域和流体域计算收敛后，计算结束。
　　(3)本文计算得到了二维热障涂层涡轮叶片服役过程中的温度和应力分布：稳态条件下，陶瓷层表面前缘和尾缘处温度相对较高，温度最大值为1035℃，位于叶片前缘处，吸力面温度整体低于压力面温度。另外，镧系氧化物面层(LCO)有一定的隔热效果，可以使金属基底温度下降20℃左右。发动机稳定工作阶段，叶片氧化层环向应力值分布在1.12 GPa~3.75 GPa之间，吸力面和压力面氧化层内应力水平高，容易引起裂纹的萌生与扩展；叶片冷却后，氧化层内环向残余应力值分布在250 MPa~-3.5 GPa之间，前缘和尾缘附近残余应力水平高，容易引起应力集中。
　　总之，本文采用流固耦合分析方法实现了二维热障涂层涡轮叶片瞬态温度场和应力场的数值模拟，得到各个时间段热障涂层涡轮叶片温度和热应力的分布，对叶片服役过程中可能出现的失效位置做了初步的预测，为热障涂层的研究提供了一种新的思路。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热障涂层概述

1.3 数值计算方法在热障涂层研究中的应用

1.4 本文的选题依据与研究内容

第2章 热障涂层涡轮叶片流固耦合理论模型的建立

2.1 引言

2.2流体流动及换热的基本控制方程

2.3 外流场湍流模型

2.4 热障涂层涡轮叶片固体热应力基本控制方程

2.5外流场与固体叶片耦合边界的描述

2.6本章小结

第3章 热障涂层涡轮叶片流固耦合的数值实现

3.1 引言

3.2 计算流体动力学(CFD)和有限元分析(FEM)介绍

3.3固体域热障涂层涡轮叶片计算模型的建立

3.4流体域计算模型的建立

3.5耦合热分析过程的数值实现

3.6 本章小结

第4章 热障涂层涡轮叶片温度场及应力场的分布

4.1 引言

4.2 外流场温度及速度分布

4.3涡轮叶片温度分布

4.4热障涂层涡轮叶片应力场

4.5本章小结

第5章 工作总结与展望

5.1全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历与在校期间发表的专利及学术论文