1引言高級渦輪發(fā)動機中通常采用表面涂層技術以降低金屬材料內的溫度和熱力梯度.目前常用的涂層材料，如：氧化鋯、陶瓷等，對紅外輻射是半透明的。這使得熱輻射的作用顯著增加，從而降低了絕緣材料的效率近年來，一些學者相繼對隔熱涂層內的輻射效應進行了研究。Thomas（1992）對柴油發(fā)動機陶瓷襯墊內的輻射與導熱耦合換熱進行了數(shù)值模在1996和1997年采用雙熱流法結合格林函數(shù)，并選用兩譜帶模型，在漫反射條件下模擬了氧化鋯隔熱涂層內的輻射傳遞；1997年用多譜帶模型取代了兩譜帶模型，并分析了光學厚度及在涂層內加入不透明的隔熱擋板對溫度和熱流密度的影響；1998年針對外部無輻射熱流時的氧化鋯隔熱涂層，分析了涂層透明和不透明兩種情況下的溫度分布。

　　本文針對渦輪發(fā)動機葉片和燃燒室襯墊的半透明隔熱涂層內輻射與導熱耦合換熱，建立了物理模型、邊界離散方程，并考慮各種界面輻射特性效應。采用光線蹤跡/節(jié)點分析法計算了吸收、各向同性散射性介質內的輻射傳遞系數(shù)，結合控制容積法數(shù)值模擬了隔熱涂層內的輻射與導熱瞬態(tài)耦合換熱。經與文獻中的計算結果比較表明，本文的物理模型、計算方法與計算程序正確、計算精度高。在此基礎上，分析了隔熱涂層內熱輻射對部分暴露于燃燒室熱環(huán)境下的第一級葉片和燃燒室襯墊的表面溫度、內部溫度場和熱流密度分布的影響，考察了界面發(fā)射率、涂層厚度和界面的反射特性等對熱輻射作用大小的影響。

　　2物理模型與控制方程2.1控制方程及離散方程由于隔熱涂層一般都非常薄，而其它各方向的尺度遠大于其本身的厚度，因此可采用一維模型。由圖可見：（1）設涂層不透明，即忽略了涂層內熱輻射的傳遞作用，此時基底內的溫度總是低于考慮涂層內熱輻射時的溫度；（2）基底內的溫度隨著表面發(fā)射率的增加而增加；（3）涂層內部輻射對基底溫度分布的影響隨發(fā)射率的增加而增加，當涂層表面的發(fā)射率較小時，可忽略內部輻射的影響。

　　3涂層厚度對溫度場的影響邊界漫反射，S面（涂層表面）不透明時，考察涂層厚度d從0到2mm連續(xù)變化對涂層和基底表面溫度的影響。除了d變化及X外，其它計算條件均與圖2的相同，數(shù)值模擬結果見圖3.圖中實線考慮了涂層內熱輻射的影響（輻射與導熱耦合換熱）；虛線則忽略涂層內的熱輻射（純導熱），只在界面外有表面輻射。由圖3可見，面）溫度的影響隨著涂層厚度的增加，輻射對溫度分布的影響越王平陽等：渦輪發(fā)動機高溫隔熱涂層內的傳熱研究來越大，當d=2.0mm時，考慮涂層內輻射換熱時基底表面溫度比忽略熱輻射時高出約55K.

　　4表面反射特性對溫度分布的影響由于第一級葉片部分暴露于燃燒室的高溫環(huán)境，因此輻射對該級葉片內溫度分布的影響大于對其它各級葉片的影響。分析這一典型情況，考慮燃燒室的高速來流使得涂層表面沒有煙灰沉積，即S面半透明，其反射率由Fresnel反射定律計算得出，并考慮表面為鏡反射和漫反射兩種情況。

　　5結論本文針對渦輪發(fā)動機葉片和燃燒室襯墊的半透明隔熱涂層內輻射與導熱耦合換熱，考慮各種界面輻射特性：不透明界面和半透明界面，鏡反射和漫反射，建立了物理模型、邊界離散方程。采用光線蹤跡/節(jié)點分析法計算了各向同性散射性介質內的輻射傳遞系數(shù)，結合控制容積法數(shù)值模擬了兩層平板介質內輻射與導熱瞬態(tài)耦合換熱。經與文獻比較表明，本文的物理模型、計算方法正確、計算精度高。

作者：佚名　　來源：中國潤滑油網