Zwei neue Modelle zur Wärmeleitfähigkeit
Durch Gasturbinentriebwerke werden verschiedene Konstruktionen angetrieben, von Flugzeugen bis hin zu Kraftwerken. Diese Triebwerke müssen bei extrem hohen Betriebstemperaturen funktionieren, die über 1000 Grad Celsius liegen. Daher ist die thermische Stabilität der Triebwerksbauteile äußerst wichtig, um Ermüdungen oder Ausfälle zu verhindern. Durch das GROWTH-Programm wurde das HIPERCOAT-Projekt finanziert, bei dem Fachleute aus Europa und den Vereinigten Staaten die modernen TBCs (Thermal Barrier Coatings, Wärmedämmschichten) gemeinsam weiterentwickelten. TBCs dienen zum Schutz vor Schäden an Bauteilen von Gasturbinentriebwerken. Das Office National d'Etudes et de Recherches Aerospatiales (ONERA) als ein HIPERCOAT-Partner sollte die neuen Wärmeleitfähigkeitsmodelle entwickeln, um die Entwicklung der neuen TBCs zu unterstützen. Beim ersten Modell dient die Nichtgleichgewichtsmolekulardynamik (Non Equilibrium Molecular Dynamics, NEMD) zur Einschätzung der Wärmeleitfähigkeit von komplexen Oxiden. Das Modell betrifft den molekularen Maßstab und berücksichtigt den Einfluss der Temperatur. Am ONERA kalibrierte man das Modell mittels einer Yttrium-/Zirkoniumoxid-TBC und berechnete anschließend die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe wie ternärer Zirkoniumoxide, Perowskite und anderer. Am ONERA nutzte man die Erfahrungen auch zur Erarbeitung eines zweiten Modells, das sich für jede heterogene Substanz eignet. Bei der FDM-Analyse von zwei- und dreidimensionalen Bildern werden Fläche und Volumen in Segmente aufgeschlüsselt. Diese Pixel oder Voxel entsprechen einer einzelnen Substanz mit bekannten thermischen Eigenschaften. Anschließend nutzt das Modell numerische Verfahren für eine Bottom-up-Einschätzung der gesamten Wärmeleitfähigkeit. Man optimierte das Modell für eine schnelle Durchführung mit lediglich 5 CPU-Stunden, die zur Verarbeitung von 100 Millionen Voxel benötigt werden. Diese Modelle erwiesen sich bei der Bewertung von neuen TBCs durch das HIPERCOAT-Konsortium als sehr wichtig.
