توزیع دمای گذرا و پایا در پوشش های سد حرارتی تحت بارگذاری شوک حرارتی و هارمونیک حرارتی

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه زنجان

2 استاد، مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه زنجان

چکیده

این مطالعه به بررسی میدان دما در سیستم‌ های پوشش سد حرارتی تحت بارگذاری‌ حرارتی پایا و گذرا می‌ پردازد. پوشش سرامیکی با ضخامت محدود به بستر با ضخامت 5/1 سانتیمتر متصل شده است. بعد طولی لایه ‌ها در مقابل ضخامتشان بسیار بیشتر است. ابتدا توزیع دمای پایا در داخل سیستم پوشش/ بستر به واسطه اعمال توزیع دمای غیریکنواخت بر روی مرزهای سیستم بدست آمد. سپس توزیع دمای پایا به عنوان شرط اولیه به مسئله گذرا معرفی شده و میدان دمای گذرا درون پوشش و بستر ارائه شد. سپس بارگذاری ‌های از نوع شوک حرارتی بر روی مرز بالایی پوشش اعمال شد و اثرات هر یک از این بارگذاری ‌ها بر روی رفتار میدان دما در سیستم پوشش/ بستر بررسی گردید. به منظور بررسی پاسخ گذرای حرارتی از معادلات انتقال حرارت غیرفوریه ‌ای با تاخیر دو فازی استفاده شد. جهت حل معادلات انتقال حرارت از تبدیلات انتگرالی فوریه و لاپلاس استفاده گردید. معادلات حاکم بر دما به کمک تبدیلات مذکور، به انضمام شرایط مرزی به روش تحلیلی حل شدند. با اعمال بارگذاری شوک حرارتی و متناوب حرارتی بر روی مرز آزاد پوشش و دستیابی به توزیع دما در لایه‌ های پوشش و بستر، ملاحظه شد که بسته به نوع بارگذاری حرارتی، این لایه نقش چشمگیری در کاهش اثرات بار حرارتی در بستر ایفا می‌کند. طبق نتایج، تاثیر شوک حرارتی پس از 4/13 ثانیه در فاصله‌ی 1 سانتیمتری از سطح آزاد پوشش سرامیکی احساس گشت. پس از موقعیت عمودی250 میکرون، تغییر در فرکانس بارگذاری هارمونیک حرارتی موجب نوسانات دما نخواهد شد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Cattaneo, C., "A Form of Heat Conduction Equation which Eliminates the Paradox of Instantaneous Propagation", Comptes Rendus de L'Académie des Sciences, Vol. 247(4), pp. 431-433, (1958).
 
[2] Vernotte, P., "Paradoxes in the Continuous Theory of the Heat Equation", Comptes Rendus de L'Académie des Sciences, Vol. 246, pp. 3154-3155, (1958).
 
[3] Tzou, D.Y., "Macro-to Micro-scale Heat Transfer: the Lagging Behavior", 2nd Edition, CRC Press, BocaRaton,  (1996).
 
[4] Ciavarella, M., Decuzzi, P., Tagarielli, V.L., and Demelio, G.P., "Simple Formulas for Thermoelastic Stresses in TBC Coatings", Journal of Thermal Stresses, Vol. 26, pp. 409-422, (2003).
[5] Agarwal, B., Upadhyay, P.C., Banta, L., and Loyns, D., "Transient Temperature Distribution in Composites with Layers of Functionally Graded Materials (FGMs)", Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 24, pp. 1929-1963, (2005).
                                                                                             
[6] Sadooghi, P., "Transient Heat Transfer in a Spherical Protective Material, Submitted to Flux and Mixed Boundary Conditions: An Investigation on Zirconia", Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Vol. 93, pp. 461-472, (2005).
 
[7] Shijun, Z., and Zhanqiang, L., "Analytical and Numerical Solutions of Transient Heat Conduction in Monolayer-coated Tools", Journal of Materials Processing Technology, Vol. 209, pp. 2369-2376, (2009).
 
[8] Lim, G., and Kar, A., "Modeling of Thermal Barrier Coating Temperature due to Transmissive Radiative Heating", Journal of Materials Science, Vol. 44, pp. 3589-3599, (2009).
 
[9] Akwaboa, S., Mensah, P., Beyazouglu, E., and Diwan, R., "Thermal Modeling and Analysis
of a Thermal Barrier Coating Structure using Non-fourier Heat Conduction", ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 134(11), Article Number. 111301, (2012).
 
[10] Han, M., Zhou, G., Huang, J., and Chen, S., "A Parametric Study of the Double-ceramic-layer Thermal Barrier Coatings Part I: Optimization Design of the Ceramic Layer Thickness Ratio Based on the Finite Element Analysis of Thermal Insulation (Take LZ7C3/8YSZ/NiCoAlY DCL-TBC for an Example)", Surface and Coatings Technology, Vol. 236, pp. 500-509, (2013).
 
[11] Lee, Y.M., and Tsai, T.W., "Transient Heat Conduction Across Thermal Barrier Coating on an Anisotropic Substrate", Engineering Computations, Vol. 31, pp. 510-529, (2014).
 
[12] Yang, Y., Chen, W., Yeh, T., Chang, W., and Lee, H., "Numerical Study of Dual‑phase‑lag Heat Conduction in a Thermal Barrier Coating with a Hybrid Method", Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Vol. 38, pp. 287-296, (2016).
 
[13] Yevtushenko, A., Kuciej, M., Och, E., and Yevtushenko, O., "Frictional Heating of the Brake Disc with Essential Nonlinearity Thermal Barrier Coating", International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 95, pp. 210-216, (2018).
 
[14] Yang, Y., Dai, H., Ye, C., Xu, W., and Luo, A., "Investigation of the One-dimensional Transient Heat Conduction Problem of a Coated High Strength Steel Plate", Mathematics and Mechanics of Solids, Vol. 24, pp. 3472-3484, (2019).
 
[15] Chen, Z., and Akbarzadeh, A., "Advanced Thermal Stress Analysis of Smart Materials and Structures", Part of the Book Series: Structural Integrity (STIN, Volume 10), Springer Cham, Nature Switzerland, (2020).
 
[16] Cohen, A.M., "Numerical Methods for Laplace Transform Inversion", Springer US, New York NY, USA, (2007).
 
[17] Agazhanov, A.S., Samoshkin, D.A., and Kozlovskii, Y.M., "Thermophysical Properties of Inconel 718 Alloy", Journal of Physics: Conference Series, Volume 1382 012175, XXXV Siberian Thermophysical Seminar, August 27–29, Novosibirsk, Russia, (2019).
[18] Wereszczak, A., Lara-Curzio, E., and Bansal, N.P., "Advances in Solid Oxide Fuel Cells II", (A Collection of Papers Presented at the 30th International Conference on Advanced Ceramics and Composites, January 22-27, 2006, Cocoa Beach, Florida), John Wiley and Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, (2007).