一种热障涂层数值重构模型测试方法和装置
阅读说明：本技术 一种热障涂层数值重构模型测试方法和装置 (Thermal barrier coating numerical reconstruction model testing method and device ) 是由 王玉璋 龙芸 陈小虎 翁一武 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种热障涂层数值重构模型测试方法,具体包括以下步骤：步骤S1：建立热障涂层模拟区域,预设热障涂层的系统结构；步骤S2：搭建陶瓷层,将致密8mol％氧化钇稳定氧化锆作为陶瓷层的第一生长相,其生长核根据生成概率随机布置在陶瓷层中；步骤S3：生长核根据生长概率进行生长,直到孔隙率达到预设体积分数；步骤S4：搭建粘结层、基地和冷却气膜,输出基础涂层网格文件进入可视化软件,生成热障涂层数值重构模型；步骤S5：根据预设的裂纹变形率和颗粒变形率生成对应的缺陷结构,并通过基于耦合双分布函数的格子玻尔兹曼方法计算模型的有效热导率。与现有技术相比,本发明具有真实有效地表征涂层内部结构形貌特征、使用成本较低等优点。(The invention relates to a thermal barrier coating numerical reconstruction model test method, which specifically comprises the following steps: step S1: establishing a thermal barrier coating simulation area, and presetting a system structure of a thermal barrier coating; step S2: building a ceramic layer, taking compact 8 mol% yttria-stabilized zirconia as a first growth phase of the ceramic layer, and randomly arranging growth nuclei in the ceramic layer according to the generation probability; step S3: growing the growth nucleus according to the growth probability until the porosity reaches a preset volume fraction; step S4: building a bonding layer, a base and a cooling air film, outputting a basic coating grid file to enter visual software, and generating a thermal barrier coating numerical reconstruction model; step S5: and generating a corresponding defect structure according to a preset crack deformation rate and a preset particle deformation rate, and calculating the effective thermal conductivity of the model by a lattice boltzmann method based on a coupling double distribution function. Compared with the prior art, the method has the advantages of truly and effectively representing the internal structural morphology characteristics of the coating, low use cost and the like.)
技术领域
本发明涉及多孔介质技术领域，尤其是涉及一种热障涂层数值重构模型测试方法和装置。
背景技术
涂敷在高温部件表面的热障涂层具有良好的隔热性能。随着对燃气轮机燃烧效率要求的不断提高，燃气温度也在大幅度提高，这对热障涂层提出了严峻的挑战。
热障涂层通常由基底、粘结层以及陶瓷层组成，是一种典型的多层结构系统。由于制备工艺自身的原因，目前热障涂层的陶瓷层内部不可避免的会存在一定数量的孔隙。同时，在热障涂层的服役过程中,会在陶瓷层与粘结层之间形成一层氧化层以及在陶瓷层内部产生较大裂纹。热障涂层自身具有的复杂微观结构和所处的恶劣服役环境加上各层之间存在的巨大物理、热学、力学性能差异，使其在无法预知的情况下产生开裂、剥落从而导致涂层失效。热障涂层的失效类型主要分为以下五种：高温氧化，高温烧结，热应力失配，高温腐蚀和颗粒冲蚀。纵观以上涂层失效形式，除去肉眼可见的剥落与体积改变，把握其微观层面的结构变化也至关重要。因此，对涂层中不同微结构的相关特性以及决定这些性质的本构关系进行定性尤其是定量描述，从而建立一种可靠、准确的涂层微结构模型极其必要。这些微观结构将对涂层的热学、力学和物理性质，例如热导率、弹性模量、密度和硬度等产生直接影响。通过定量刻画涂层的微观结构特征，对涂层在实际应用中的性能研究具有重要意义。然而，涂层的微观结构形态复杂，尺寸变化跨度大，具有一定的随机分布性，难以进行准确描述。目前的研究工作主要集中于采取定量金相分析手段对涂层的孔隙等形貌特征进行观察和统计分析，但是，这种实验观测和表观描述无法全面、定量地解析孔隙率、孔隙形貌特征以及孔隙间相互作用等一系列因素对热障涂层表观性质起决定作用的内部机制。因此，有必要从微观尺度对涂层的微结构进行数字化，建立能够反映涂层微观结构性质的重构模型，在此基础上，通过数值手段研究涂层内部及涂层与气膜间的耦合换热规律。
由于热障涂层属于多孔介质，关于多孔介质的数值重构方法，已有大批学者展开了较为深入的研究。主要分为基于图像识别的重构方法、基于概念模型的重构方法以及基于统计学的重构方法。图像识别模型因其具有高精度和不破坏样品等特点，最接近实际孔隙形貌。通常采用数字扫描技术如X射线、CT扫描等对多孔介质进行数字成像，并经过噪声处理及阈值判断，生成由多个像素点组成的结构网格。该网格可以通过后处理软件进行可视化处理。但由于其依赖高分辨率的成像设备以及图像处理技术的发展，价格昂贵，难以得到大范围使用。概念模型将多孔介质中的孔隙抽象成球形、椭球形或梭形等，从而可以较灵活地对多孔介质的热力化学特征和相关机理进行定性或半定量的解释。但其提取的孔隙特征过于理想化，对实际问题的计算会出现较大偏差。统计模型是基于两相材料统计规律建立的模型，其中，可以通过压汞法、吸附法和沉降法等获得固体骨架参数和气体孔隙参数。该类模型与真实孔隙具有较好的相似性。但由于统计模型存在多解性，这需要进行大量的网格无关性验证并取统计平均值方能得到更为精确的计算结果。以上所述重构方法多用于进行岩石、土壤等多孔介质的重构。并且，目前已有的孔隙模型大多仅研究了孔隙率的数值变化对涂层性能带来的影响，很少考虑到孔隙的大小、形状和位置等变化时带来的涂层热力学性能衰退的变化。在极少数对孔隙形貌有所描述的孔隙模型中，都将孔隙直接简化为均匀分布、尺寸相等的球形、椭球形或梭形。这种过于简化的假设与实际情况存在较大偏差，不具有普遍适用性。同时，这些孔隙模型也不能反映出高温服役过程中热障涂层失效后的复杂结构。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的成本较高、与实际情况存在较大偏差的缺陷而提供一种热障涂层数值重构模型测试方法和装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种热障涂层数值重构模型测试方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：建立热障涂层模拟区域，预设所述热障涂层的系统结构，所述系统结构包括涂层层数和缺陷结构；
步骤S2：搭建所述热障涂层的顶部的陶瓷层，将致密8mol％氧化钇稳定氧化锆作为所述陶瓷层的第一生长相，多个第一生长相的生长核根据对应的生成概率随机布置在陶瓷层中；
步骤S3：所述生长核根据其生长概率向多个方向生长，直到所述陶瓷层的孔隙率达到预设体积分数；
步骤S4：在完成生长的陶瓷层上，搭建所述热障涂层的粘结层、基地和冷却气膜，输出热障涂层的基础涂层网格文件进入可视化软件，生成热障涂层数值重构模型；
步骤S5：所述热障涂层数值重构模型为数字网格形式，根据所述系统结构预设的裂纹变形率和颗粒变形率生成对应的缺陷结构，并通过基于耦合双分布函数的格子玻尔兹曼方法计算所述热障涂层数值重构模型的有效热导率。
所述生长核的生成概率小于所述预设体积分数。
所述热障涂层数值重构模型中采用不同的数据点来表示不同的结构。
所述步骤S5中通过裂纹变形率生成裂纹缺陷，通过颗粒变形率生成腐蚀缺陷，两种缺陷结构可单独存在或同时存在。
进一步地，所述裂纹缺陷先在陶瓷层的一个横截面构造二维形状的裂纹横截面，再根据裂纹横截面进行纵向裂纹三维生长，裂纹横截面的形状在椭圆内随机变化，其生长点满足下列公式：
其中，Fc为裂纹变形率，(x1,y1)为裂纹横截面的生长点的坐标，且满足：
其中，a和b为过程变量，a＞b＞0。
进一步地，所述腐蚀缺陷的颗粒在类球体内完成生长，生长点满足下列公式：
其中，(x2,y2,z)为腐蚀缺陷的颗粒的生长点的坐标，Fp为颗粒变形率，r为等效颗粒直径且r＞0。
所述耦合双分布函数的格子玻尔兹曼方法计算的双分布函数具体为密度分布函数和温度分布函数，所述密度分布函数用于模拟速度场，通过所述温度分布函数求解出温度场，具体公式如下：
其中，r是坐标矢量；ei为离散速度的方向矢量；t是时间；δt为时间步长；τf是流体无量纲松弛时间；fi(r,t)和fi eq(r,t)分别为与i方向相对应的粒子密度分布函数和平衡态密度分布函数；τT为温度场的无量纲松弛时间；Ti和Ti eq(x,t)分别为与i方向相对应的温度分布函数和平衡态温度分布函数。
进一步地，采用D3Q19离散速度模型，经过流体粒子的碰撞和迁移后，求得所述热障涂层数值重构模型的宏观参数的具体如下：
其中，ρ为热障涂层数值重构模型的密度，u为热障涂层数值重构模型中粒子的速度，T为热障涂层数值重构模型的温度。
进一步地，所述热障涂层数值重构模型的有效热导率的计算公式如下：
其中，λe为有效热导率，δ为涂层厚度，q为通过厚度为δ的涂层的稳态热流量。
一种基于热障涂层数值重构模型测试方法的装置，包括存储器和处理器，所述方法以计算机程序的形式存储于所述存储器中，并由所述处理器执行，执行时实现以下步骤：
步骤S1：建立热障涂层模拟区域，预设所述热障涂层的系统结构，所述系统结构包括涂层层数和缺陷结构；
步骤S2：搭建所述热障涂层的顶部的陶瓷层，将致密8mol％氧化钇稳定氧化锆作为所述陶瓷层的第一生长相，多个第一生长相的生长核根据对应的生成概率随机布置在陶瓷层中；
步骤S3：所述生长核根据其生长概率向多个方向生长，直到所述陶瓷层的孔隙率达到预设体积分数；
步骤S4：在完成生长的陶瓷层上，搭建所述热障涂层的粘结层、基地和冷却气膜，输出热障涂层的基础涂层网格文件进入可视化软件，生成热障涂层数值重构模型；
步骤S5：所述热障涂层数值重构模型为数字网格形式，根据所述系统结构预设的裂纹变形率和颗粒变形率生成对应的缺陷结构，并通过基于耦合双分布函数的格子玻尔兹曼方法计算所述热障涂层数值重构模型的有效热导率。
与现有技术相比，本发明以热障涂层体系中的致密固体相为生长相，按照生长概率搭建起陶瓷层，与其他功能层相结合基础涂层网格文件进入可视化软件，生成热障涂层数值重构模型，根据预设的裂纹变形率和颗粒变形率生成相应的缺陷结构进行热障涂层的相关实验。本发明中热障涂层数值重构模型与实际涂层有着较高的匹配度，能够真实有效地表征涂层内部结构形貌特征，而且使用成本较低，适于大批量的涂层研究。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明热障涂层数值重构模型的结构示意图；
图3为本发明基础陶瓷层的结构示意图，其中图3(a)为基础陶瓷层的3D完整结构图，图3(b)为基础陶瓷层的截面示意图，图3(c)为基础陶瓷层的孔隙填充示意图；
图4为本发明裂纹缺陷的结构示意图；
图5为本发明腐蚀缺陷的结构示意图；
图6为本发明涂层有效热导率随孔隙率变化的数值模拟与实验对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种热障涂层数值重构模型测试方法，使用成本较低，能够真实有效地表征涂层内部结构形貌特征，具体包括以下步骤：
步骤S1：建立热障涂层模拟区域，预设热障涂层的系统结构，系统结构包括涂层层数和缺陷结构；
步骤S2：搭建热障涂层的顶部的陶瓷层，将致密8mol％氧化钇稳定氧化锆作为陶瓷层的第一生长相，多个第一生长相的生长核根据对应的生成概率随机布置在陶瓷层中；
步骤S3：生长核根据其生长概率向多个方向生长，直到陶瓷层的孔隙率达到预设体积分数；
步骤S4：在完成生长的陶瓷层上，搭建热障涂层的粘结层、基地和冷却气膜，输出热障涂层的基础涂层网格文件进入可视化软件，生成热障涂层数值重构模型；
步骤S5：热障涂层数值重构模型为数字网格形式，根据系统结构预设的裂纹变形率和颗粒变形率生成对应的缺陷结构，并通过基于耦合双分布函数的格子玻尔兹曼方法计算热障涂层数值重构模型的有效热导率。
生长核的生成概率小于预设体积分数。
如图2所示为带裂纹缺陷的热障涂层数值重构模型，其中陶瓷层和粘结层的厚度在100-500μm之间，基底厚度在3mm以上并且基底的合金热导率远大于陶瓷层与粘结层的热导率，因此在传热计算中通常只考虑陶瓷层与粘结层结构。
热障涂层数值重构模型中采用不同的数据点来表示不同的结构，陶瓷层中致密骨架材料由数字1组成，陶瓷层中孔隙结构由数字0表示。
孔隙内为空气，如图3所示，根据预设的系统结构生成不同孔隙率的热障涂层数值重构模型。
步骤S5中通过裂纹变形率生成裂纹缺陷，通过颗粒变形率生成腐蚀缺陷，两种缺陷结构可单独存在或同时存在。
进一步地，裂纹缺陷先在陶瓷层的一个横截面构造二维形状的裂纹横截面，再根据裂纹横截面进行纵向裂纹三维生长，裂纹横截面的形状在椭圆内随机变化，其生长点满足下列公式：
其中，Fc为裂纹变形率，(x1,y1)为裂纹横截面的生长点的坐标，且满足：
其中，a和b为过程变量，a＞b＞0。
裂纹变形率表示竖直生长裂纹的横截面形状与椭圆的近似程度,裂纹变形率愈接近于0，发生的形变愈小，裂纹横截面的形状愈接近椭圆形。如图4所示，为Fc＝0.2时含裂纹的陶瓷层重构模型，裂纹横截面的形状接近椭圆形。
高温条件下腐蚀盐介质熔融沉积于涂层表面，有的渗入涂层间隙，随后产生颗粒、块状和短棒状的腐蚀产物，这些物质的形状可简化为球体，对应腐蚀缺陷的颗粒。腐蚀缺陷的颗粒在类球体内完成生长，生长点满足下列公式：
其中，(x2,y2,z)为腐蚀缺陷的颗粒的生长点的坐标，Fp为颗粒变形率，r为等效颗粒直径且r＞0。
颗粒变形率表示生成颗粒形貌与球体的近似程度,颗粒变形率愈接近于0，发生的形变愈小，颗粒形貌愈接近球体。在不同的颗粒变形率下生成类球体的重构颗粒如图5所示。
耦合双分布函数的格子玻尔兹曼方法计算的双分布函数具体为密度分布函数和温度分布函数，密度分布函数用于模拟速度场，通过温度分布函数求解出温度场，具体公式如下：
其中，r是坐标矢量；ei为离散速度的方向矢量；t是时间；δt为时间步长；τf是流体无量纲松弛时间；fi(r,t)和fi eq(r,t)分别为与i方向相对应的粒子密度分布函数和平衡态密度分布函数；τT为温度场的无量纲松弛时间；Ti和Ti eq(x,t)分别为与i方向相对应的温度分布函数和平衡态温度分布函数。
进一步地，采用D3Q19离散速度模型，经过流体粒子的碰撞和迁移后，求得热障涂层数值重构模型的宏观参数的具体如下：
其中，ρ为热障涂层数值重构模型的密度，u为热障涂层数值重构模型中粒子的速度，T为热障涂层数值重构模型的温度。
进一步地，热障涂层数值重构模型的有效热导率的计算公式如下：
其中，λe为有效热导率，δ为涂层厚度，q为通过厚度为δ的涂层的稳态热流量。
如图6所示，本发明搭建的具有不同孔隙率的热障涂层数值重构模型与实验中对应具有相同孔隙率的涂层的有效热导率进行对比，热导率分布曲线重合率较高，相对误差在5％以内，因此本发明搭建的热障涂层数值重构模型可有效代替真实热障涂层进行实验，具有较高的真实性与准确性。
一种基于热障涂层数值重构模型测试方法的装置，包括存储器和处理器，方法以计算机程序的形式存储于存储器中，并由处理器执行，执行时实现以下步骤：
步骤S1：建立热障涂层模拟区域，预设热障涂层的系统结构，系统结构包括涂层层数和缺陷结构；
步骤S2：搭建热障涂层的顶部的陶瓷层，将致密8mol％氧化钇稳定氧化锆作为陶瓷层的第一生长相，多个第一生长相的生长核根据对应的生成概率随机布置在陶瓷层中；
步骤S3：生长核根据其生长概率向多个方向生长，直到陶瓷层的孔隙率达到预设体积分数；
步骤S4：在完成生长的陶瓷层上，搭建热障涂层的粘结层、基地和冷却气膜，输出热障涂层的基础涂层网格文件进入可视化软件，生成热障涂层数值重构模型；
步骤S5：热障涂层数值重构模型为数字网格形式，根据系统结构预设的裂纹变形率和颗粒变形率生成对应的缺陷结构，并通过基于耦合双分布函数的格子玻尔兹曼方法计算热障涂层数值重构模型的有效热导率。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。