高温半透明涂层的辐射特性研究

高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集 编号：B-100060 高温半透明涂层的辐射特性研究*

杨大海1, 符泰然2, 赵桓2, 程晓舫1

（1.中国科学技术大学热科学和能源工程系，合肥 230027；

2.清华大学热能工程系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084)

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摘要：在先进燃气轮机技术领域，具有半透明辐射特性的高温热防护涂层被广泛应用以降低高温环境下金属部件的温度。为实现高温热防护表面的非接触温度测量和表面热流密度的准确估计，亟需开展高温热防护涂层的辐射传递和光谱辐射特性研究工作。本文即以具有氧化锆涂层的燃气轮机热端金属表面为研究对象，基于半透明涂层的多波段吸收和散射特性谱带模型，采用蒙特卡罗法和控制容积法对半透明涂层内部的辐射-导热耦合换热进行模拟计算，获得了涂层内部的温度场分布规律，进一步研究了不同光谱波段、散射特性以及涂层厚度变化对涂层表观辐射特性的影响。上述分析方法可为特定响应波段内的辐射温度与热流测量提供基础的应用数据。

关键词：热防护涂层；辐射特性；耦合换热；温度

Radiation characteristics of high-temperature translucent coatings Abstract: Thermal barrier coatings are widely used to reduce the temperature of the metal parts applied in advanced gas turbine. Spectral radiation characteristics of coating surface are necessary to realize accurate non-contact temperature measurements and radiation flux evaluation. In this paper, zirconia ceramics described with 4-band spectral band model of absorbing and scatting properties was used as coating material of metal vane. Coupled radiative and conductive heat transfer in the coatings were numerically calculated by Monte Carlo and control-volume method, to obtain the temperature distributions within the coating. Based on the results, we investigated the distributions of spectral radiation characteristics of thermal barrier coating and some relative factors, including the spectral bands, scatting properties, coating thickness and angle. The above analyses may provide the accurate basic data of spectral radiation characteristics of high-temperature translucent coatings for temperature and radiation flux measurements.

Key words: thermal barrier coatings; radiation characteristics; coupled heat transfer; temperature

∗国家自然科学基金资助项目(50606033)和国家863高技术研究发展计划项目(2007AA04Z178)资助

通讯作者：杨大海, 硕士生，yangdh@；符泰然，副教授，trfu@

1 引言

随着先进燃气轮机参数的不断提高，对燃烧室衬垫和涡轮叶片等热端金属表面的热防护涂层应用技术的研究也更加深入。为了保障燃气轮机涡轮叶片、高温壁面等热端部件在高温条件下的正常性能，准确探测/预测热防护涂层的内部温度分布、表面辐射特性及辐射热流密度是非常重要的[1]。氧化锆等具有半透明辐射特性的材料常被用来作为热防护涂层，近年来，国内外学者对半透明热防护涂层内的辐射-导热耦合换热进行了大量研究工作，采用的方法有双热流法[2,3]、格林函数法[4]、射线踪迹法[5,6,7]等，以此得到半透明涂层内部的温度和热流分布；同时已有学者对特定温度分布假设的半透明介质表观辐射特性[8,9]做了研究。对于氧化锆涂层等半透明介质而言，其表观辐射特性是内部容积辐射和基底表面辐射的综合表现，涂层内部的温度分布对表观辐射特性有很大影响，因此，在求解半透明涂层实际温度分布的基础上，模拟预测涂层表观辐射特性将更加合理。本文将针对于热防护涂层应用的特定工况条件[3]，以氧化锆涂层为例，基于谱带吸收散射模型[7]，采用蒙特卡罗法和控制容积法，研究氧化锆半透明涂层内的温度分布规律，模拟预测高温氧化锆涂层的表观辐射特性，为特定响应波段内的辐射温度与热流测量提供基础的应用数据。

2 物理模型与控制方程

2.1 温度求解的能量控制方程

采用的热防护涂层一般都较薄，自身厚度远小于其它各个方向尺度，因此可以近似采用一维模型分析其传热过程，图1给出了涂层结合金属基底的示意图。由于先进燃气轮机的燃烧室内压力很高，可以假设内部的含灰气体能够提供一个近似黑体的环境[4]，所以让涂层和基底位于两个代表环境的黑表面S- ∞和S+ ∞之间，其温度分别为T- ∞和T+ ∞，如图1所示。

图1 半透明涂层结合基底的示意图图2 分层及标号示意图

半透明涂层具有吸收、发射、散射的辐射特性，吸收、散射系数分别为a和σs，折射率为n，热传导系数为k c，厚度为δc；金属基底对热辐射不透明，热传导系数为k m，厚度为δm；S1为半