陶瓷基涡轮叶片气热耦合热流输运机理与导热解耦算法研究

20251128

制造业

（1）陶瓷基复合材料的铺层方式及参数对传热行为具有多尺度、多维度的调控作用。铺层角度决定了热流的主导热路径，边界条件影响了整体热流驱动路径，细观结构决定了局部区域的热通量分布，设计参数优化了导热通道的有效性与均匀性，即合理的结构设计能够针对性构建高导热路径，环节局部热点问题，改善温度场分布的均匀性。 （2）从定性角度来看，铺层各向异性计算结果更为真实反映了材料内部热流的实际传导路径，特别是在几何突变和结构非均匀区域中，所预测的温度分布更为准确。而各向同性模型因忽略了材料的各向异性特征，往往出现温度分布过于平滑、难以识别热点区域的缺陷。从定量角度来看，不同计算方法温度场预测结果存在显著差异。在具有复杂几何特征的CMC构件中，准确考虑铺层各向异性导热特征对提升温度场预测精度具有重要的工程价值。 （3）本文提出并实现了一套适用于陶瓷基复合材料涡轮叶片的热分析流程，集成热物性拟合、各向异性参数温度依赖性和空间分布特征赋值、网格分区处理与耦合边界条件设定等关键步骤，形成了具有可扩展性和通用性的模块化分析路径，为后续温度场分布分析与解耦算法验证提供标准化计算和分析路径。 （4）本文提出并验证了解耦算法。在固定工况下，通过两个算例一次性获取边界条件，通过UDF赋值到流热固耦合面上，避免全耦合反复迭代，在工况固定时显著降低计算量。在此基础上以铺层角度、层序、层厚为设计变量，可以批量化求解，实现铺层方式的快速迭代优化。

在资金方面，提供用于算法工程化开发、样件加工与试验验证的研发经费；在场地方面，提供高温风洞或热试验台架使用条件及安全合规测试环境；在设备方面，配合使用高性能计算平台、红外测温与热像仪、嵌入式测温传感器等关键测试与计算设备；在人员方面，配备具备涡轮热防护设计经验的工程师和试验技术人员，与我方共同开展导热参数标定、样件试制、台架验证及工程应用评估，推动解耦算法与铺层优化流程在实际CMC涡轮叶片产品中的转化落地。

仅限国内转让

本成果转化后，可形成面向陶瓷基复合材料涡轮叶片的标准化热分析与铺层优化工具链，在工程应用中显著减少全耦合仿真次数和样件反复试制，有望将单轮设计迭代周期缩短，降低研发和试验成本，提升新型号叶片的一次成功率与服役可靠性。在此基础上，可支撑发动机在满足热防护安全裕度的前提下适度提高涡轮前温和效率，改善整机全寿命经济性。社会层面上，本成果有助于提升我国在CMC涡轮热防护设计领域的自主设计能力和工程化水平，服务高端装备自主可控与节能减排战略目标。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

随着航空发动机性能需求的不断提升，陶瓷基复合材料（CMC）因其优异的高温高强轻质性能被视为下一代航空发动机的战略性热结构材料。针对陶瓷基涡轮叶片，因其各向异性的导热性能，现有研究尚未形成标准三维温度场数值仿真计算方法，工程上也缺少快速三维温度场评估的导热解耦算法，导致陶瓷基叶片结构设计与优化体系不健全。 本项目围绕陶瓷基涡轮叶片三维复杂型面气热耦合温度场快速高精度评估需求，开展基于铺层工艺的陶瓷基涡轮叶片典型特征结构导热机理与导热模型研究、气热耦合条件下陶瓷基涡轮叶片热流输运机理研究，明晰关联铺层工艺的陶瓷基涡轮叶片气热耦合热流通量分配机理，建立陶瓷基涡轮叶片三维温度场解耦算法。针对某一试验件的验证结果表明，所提出的解耦算法可显著提升气热耦合温度场的计算效率和精度，使计算周期缩短30%以上、温度场计算误差控制在5%以内。