基于流固耦合热障涂层涡轮叶片应力场的数值模拟

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1、学校代码10530学号201230101214分类号TB35密级硕士学位论文基于流固耦合热障涂层涡轮叶片应力场的数值模拟学位申请人汤文章指导教师周益春教授学院名称材料科学与工程学院学科专业材料科学与工程研究方向防护涂层制备及其应用二零一五年五月二十日ThenumericalsimulationofstressfieldinaturbinebladewithTBCsbasedonfluid-solidcouplingmethodCandidateWenzhangTangSupervisorProfessorY

2、ichunZhouCollegeSchoolofMaterialsScienceandEngineeringProgramPreparationandApplicationofProtectiveCoatingsSpecializationMaterialsScienceandEngineeringDegreeEngineeringMasterUniversityXiangtanUniversityDate20thMay,2015湘潭大学学位论文原創性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导

3、下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加标注引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。＾１＜＜＝？：２作者签名曰期；＾年月（多曰＾学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向圃家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可将本学位论文的全部或部分内容编入

4、有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。台＇诉？考作者签名：＾曰孤如咎月Ｌ扼导师签名言寒矣曰期：＞１？解ＣＡ巧曰Ｉ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

5、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。ABAQ

6、US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ICEMCFD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：

7、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°C，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°C左右。发动机稳定工作阶段，叶片氧化层环向应力值分布在1.12GPa~3.75GPa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250MPa~-3.5GPa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

8、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。关键词：热障涂层；流固耦合；数值计算；温度场；应力场AbstractDuetothepropertyofhightemperatureresistance,thermalbarriercoatingsareextensivelyappli