基于流-固耦合的三維渦輪葉片熱障涂層危險區(qū)域預測的數(shù)值模擬.pdf

1、作為一種熱阻材料，熱障涂層被廣泛應用于航空發(fā)動機高溫部件上，但是熱障涂層的裂紋萌生擴展而剝離失效會直接導致渦輪葉片的破壞，進而威脅到整個發(fā)動機的服役，嚴重制約了熱障涂層的應用。高溫服役環(huán)境和應力集中是導致裂紋萌生擴展從而剝離的根本原因，因此，為研究熱障涂層的失效，得到其溫度場和應力的分布是必不可少的。通過對比，本文從三種最常用的湍流模型中選取了一個最合理精確的模型，基于此湍流模型通過流固耦合的方法得到渦輪葉片和熱障涂層的溫度場和應力分布

2、，并對熱障涂層的失效危險區(qū)域進行預測，具體的研究內容和結果如下：
　　(1)本文建立了一個包含流體域、固體域以及耦合界面的數(shù)學模型，在流體域建立可壓流的N-S方程，固體域建立熱傳導方程和熱彈塑性本構關系，并定義耦合界面處的連續(xù)條件。
　　(2)基于所建立的數(shù)學模型，建立一個基于 MPCCI耦合接口的FLUENT和 ABAQUS流固耦合方案，其中包含外流場的流體域采用 FLUENT實現(xiàn)數(shù)值模擬，包括熱障涂層和渦輪葉片的固體域采

3、用ABAQUS實現(xiàn)仿真分析，通過MPCCI實現(xiàn)流體域和固體域之間的耦合變量傳遞?；诖朔桨?，建立帶有熱障涂層的渦輪葉片和其相應的外流場有限元模型，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)定義材料參數(shù)邊界條件，劃分網(wǎng)格，最后進行耦合運算。
　　(3)討論分析 RNG k-ε、realizable k-ε以及 SST k-ω三種湍流模型在所建立的數(shù)值模型中應用的結果發(fā)現(xiàn)，RNG k-ε、realizable k-ε以及 SST k-ω模型下流場壓力和速度分布基

4、本一致。通過與實驗數(shù)據(jù)對比，realizable k-ε模型下溫度和壓力分布與實驗數(shù)據(jù)吻合的最好。因此，在本文的模型中，對于渦輪葉片表面附近的復雜流動情況，realizable k-ε湍流模型表現(xiàn)出更好的精確性。
　　(4)采用對于所建立的數(shù)值模型最佳的湍流模型，通過流-固耦合傳熱數(shù)值模擬，得到帶有多層結構熱障涂層的渦輪葉片溫度分布和熱失配應力分布。熱障涂層和渦輪葉片的溫度在真實服役環(huán)境下是不均勻的，在本文中最高處為前緣位置，達到