Film soğutmada üçgen iç-bükey kenar şekilli rampanın sayısal optimizasyonu

Öz

Bu çalışmada, film soğutmada aralıklı ve üçgen iç-bükey (AÜİB) rampanın film soğutma etkinliğine ve akış karakteristiklerine etkisi sayısal olarak incelenmiştir. AÜİB rampa, jet akışı ana akışın etkisinden korumak için yüzey üzerinde film soğutma deliğinin yüzey ile birleştiği ve ana akışın geldiği baş tarafa yerleştirilmiştir. AÜİB rampanın en uygun tasarım parametrelerini belirlemek için 10˚, 25˚ ve 45˚ olmaz üzere üç farklı eğim açısı (αr), 0,15, 0,30 ve 0,50 olmak üzere üç farklı boyutsuz rampa yüksekliği (h/d) incelenmiştir. Bununla birlikte hesaplamalar 0,30, 0,60, 0,85 ve 1,25 üfleme oranında (M) gerçekleştirilmiştir. Gerçek çalışma şartlarına uygun olarak film soğutmanın fiziksel özelliklerini doğru tespit edebilmek için, hesaplamalarda ana akım için hava, yüzeye enjekte edilen akışkan için ise CO2 kullanılmıştır. Buna bağlı olarak jet akışı ile ana akış yoğunluk oranı (YO) 1,50’dir. CO2 yüzeye yüzeyle açısı αj=35˚ olan ve 4 mm çaplı dairesel kesitli jet deliğinden enjekte edilmiştir. Sayısal çalışmalar Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği’nde (HAD) kullanılan Ansys FLUENT 19.2 ile Transition k-kl-ω türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar rampanın olmadığı geleneksel düz yüzeyle karşılaştırılmıştır. Sayısal sonuçlara göre rampa yüksekliğinin artması ve rampa açısının azalması FSE’ni arttırmıştır. Alan-ortalamalı FSE’nde geleneksel film soğutmaya göre en yüksek artış h/d=0,50 ve αr=10˚ olan rampa tasarımında %305,44 olarak elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• ısı transferi
• gaz türbin kanadı
• hesaplamalı akışkanlar dianmiği

Numerical optimization of triangular concave edge shaped ramp in film cooling

Öz

Kaynakça

1. [1] Bogard, D. G., and Thole, K. A., 2006, “Gas Turbine Film Cooling,” J. Propuls. Power.
2. [2] Bogard, D. G., 2006, “Airfoil Film Cooling,” Gas Turbine Handb., pp. 309–321.
3. [3] McGovern, K. T., and Leylek, J. H., 2000, “A Detailed Analysis of Film Cooling Physics: Part II- Compound-Angle Injection with Cylindrical Holes,” J. Turbomach.
4. [4] Brittingham, R. A., and Leylek, J. H., 2000, “A Detailed Analysis of Film Cooling Physics: Part IV- Compound-Angle Injection with Shaped Holes,” J. Turbomach.
5. [5] Li, H. wang, Han, F., Zhou, Z. yu, Ma, Y. wen, and Tao, Z., 2018, “Experimental Investigations of the Effects of the Injection Angle and Blowing Ratio on the Leading-Edge Film Cooling of a Rotating Twisted Turbine Blade,” Int. J. Heat Mass Transf., 127, pp. 856–869.
6. [6] Andreini, A., Becchi, R., Facchini, B., Picchi, A., and Peschiulli, A., 2017, “The Effect of Effusion Holes Inclination Angle on the Adiabatic Film Cooling Effectiveness in a Three-Sector Gas Turbine Combustor Rig with a Realistic Swirling Flow,” Int. J. Therm. Sci., 121(x), pp. 75–88.
7. [7] Song, L., Zhang, C., Song, Y., Li, J., and Feng, Z., 2017, “Experimental Investigations on the Effects of Inclination Angle and Blowing Ratio on the Flat-Plate Film Cooling Enhancement Using the Vortex Generator Downstream,” Appl. Therm. Eng., 119, pp. 573–584.
8. [8] Na, S., and Shih, T. I. P., 2007, “Increasing Adiabatic Film-Cooling Effectiveness by Using an Upstream Ramp,” J. Heat Transfer.

9. [9] Zheng, D., Wang, X., Zhang, F., and Yuan, Q., 2017, “Numerical Investigation on the Effects of the Divided Steps on Film Cooling Performance,” Appl. Therm. Eng., 124, pp. 652–662.
10. [10] Zhang, F., Wang, X., and Li, J., 2016, “The Effects of Upstream Steps with Unevenly Spanwise Distributed Height on Rectangular Hole Film Cooling Performance,” Int. J. Heat Mass Transf., 102, pp. 1209–1221.
11. [11] Chen, S. P., Chyu, M. K., and Shih, T. I. P., 2011, “Effects of Upstream Ramp on the Performance of Film Cooling,” Int. J. Therm. Sci., 50(6), pp. 1085–1094.
12. [12] Rallabandi, A. P., Grizzle, J., and Han, J. C., 2011, “Effect of Upstream Step on Flat Plate Film-Cooling Effectiveness Using PSP,” J. Turbomach.
13. [13] Abdala, A. M. M., and Elwekeel, F. N. M., 2016, “An Influence of Novel Upstream Steps on Film Cooling Performance,” Int. J. Heat Mass Transf., 93, pp. 86–96.
14. [14] Hammami, Z., Dellil, Z. A., Nemdili, F., and Azzi, A., 2016, “IMPROVING ADIABATIC FILM-COOLING EFFECTIVENESS BY USING AN UPSTREAM PYRAMID,” Comput. Therm. Sci. An Int. J., 8(2), pp. 135–146.
15. [15] Zhou, W., and Hu, H., 2016, “Improvements of Film Cooling Effectiveness by Using Barchan Dune Shaped Ramps,” Int. J. Heat Mass Transf., 103, pp. 443–456.
16. [16] Zhou, W., and Hu, H., 2017, “A Novel Sand-Dune-Inspired Design for Improved Film Cooling Performance,” Int. J. Heat Mass Transf., 110, pp. 908–920.
17. [17] Zhou, W., Peng, D., Wen, X., Liu, Y., and Hu, H., 2018, “Unsteady Analysis of Adiabatic Film Cooling Effectiveness behind Circular, Shaped, and Sand-Dune-Inspired Film Cooling Holes: Measurement Using Fast-Response Pressure-Sensitive Paint,” Int. J. Heat Mass Transf., 125, pp. 1003–1016.
18. [18] Zhang, S. C., Zhang, J. Z., and Tan, X. M., 2018, “Numerical Investigation of Film Cooling Enhancement Using an Upstream Sand-Dune-Shaped Ramp,” Computation, 6(3).
19. [19] Hyams, D. G., and Leylek, J. H., 2000, “A Detailed Analysis of Film Cooling Physics: Part III- Streamwise Injection with Shaped Holes,” J. Turbomach.
20. [20] Montomoli, F., D’Ammaro, A., and Uchida, S., 2013, “Numerical and Experimental Investigation of a New Film Cooling Geometry with High P/D Ratio,” Int. J. Heat Mass Transf., 66, pp. 366–375.
21. [21] Patankar, S., 1990, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Taylor & Francis, New York.
22. [22] Wagner, G., Kotulla, M., Ott, P., Weigand, B., and von Wolfersdorf, J., 2005, “The Transient Liquid Crystal Technique: Influence of Surface Curvature and Finite Wall Thickness,” J. Turbomach., 127(1), pp. 175–182.
23. [23] Johnson, B., Tian, W., Zhang, K., and Hu, H., 2014, “An Experimental Study of Density Ratio Effects on the Film Cooling Injection from Discrete Holes by Using PIV and PSP Techniques,” Int. J. Heat Mass Transf., 76, pp. 337–349.
24. [24] Menter, F. R., 1994, “Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications,” AIAA J., 32(8), pp. 1598–1605.
25. [25] Fric, T. F., and Roshko, A., 1994, “Vortical Structure in the Wake of a Transverse Jet,” J. Fluid Mech.
26. [26] Zaman, K. B. M. Q., Rigby, D. L., and Heidmann, J. D., 2010, “Inclined Jet in Crossflow Interacting with a Vortex Generator,” J. Propuls. Power.
27. [27] Shinn, A. F., and Pratap Vanka, S., 2012, “Large Eddy Simulations of Film-Cooling Flows With a Micro-Ramp Vortex Generator,” J. Turbomach.