بررسی عددی تاثیر زاویه سوراخ تزریق خنک کننده بر اثربخشی خنک کاری لایه ای جریان نوسانی موج مربعی صفحه تخت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 تبدیل انرژی، مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 دانشکده مکانیک دانشگاه سمنان

3 عضو هیات علمی / دانشگاه سمنان

چکیده

در این مقاله اثر تغییر زاویه تزریق بر اثربخشی خنک­کاری لایهای صفحه تخت با نوسان موج مربعی در فرکانس­های مختلف بررسی می­شود. خنک­کاری لایه­ای برای سرد کردن پره­های توربین و افزایش عمر پره استفاده می­شود. چهار زاویه تزریق 20 ،25 ،30 و 35 درجه انتخاب شده­اند. جریان نوسانی در سه فرکانس 2 ،50 و 500 هرتز و سیکل کاری 0/5 مورد بررسی قرار می­گیرد. از روش حجم محدود برای حل معادلات جریان استفاده گردید. از مدل انتقال تنش برشی کی-امگا جهت مدل­سازی آشفتگی استفاده گردید. نتایج نشان داد زاویه تزریق بین 20 تا 25 درجه در سه فرکانس مورد بررسی بیشترین اثربخشی خنک­کاری لایه­ای خط مرکزی و جانبی را به خصوص در نواحی دور از لبه سوراخ تزریق داشت. فرکانسهای باالتر )500 هرتز( افزایش اثربخشی خنک کاری لایه ای در فواصل ابتدایی پایین دست سوراخ را به­دنبال دارد. در فواصل دوردست، فرکانس پایین­تر )2 هرتز( بیشترین اثربخشی را داشت. بیشترین تفاوت اثربخشی خط مرکزی در فرکانس 500 هرتز و بین زاویه 20 و 35 درجه به دست آمد و برابر 64/3 %بود. این مقدار برای اثربخشی جانبی 98/9 %بود. نسبت دمش 0/5در مقایسه با نسبت دمش0/75 و 1 در تمامی زوایا و فرکانس­ها بیشترین اثربخشی را داشت. حداکثر تفاوت مقدار اثربخشی در نسبت دمش 5/0 در مقایسه با دو نسبت دمش دیگر برابر 187/4 %بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of the Effect of Coolant Injection Angle on the Pulsed Film Cooling Effectiveness of Square Wave Flow on Flat Plate

نویسندگان [English]

  • seyyed mehdi hosseini baghdad abadi 1
  • Saadat Zirak 2
  • Mehran Rajabi Zargarabadi 3
1 energy transfer,mechanical engineering,semnan university,semnan,iran
2 Mechanical Engineering Department, Semnan University
3 Department of mechanical engineering
چکیده [English]

The effect of the angle of injection on the film cooling effectiveness with square wave pulsation is investigated at various frequencies. Four angles of injection are selected at 20, 25, 30 and 35 degrees. Film cooling is used to cool turbine blades and extend the life of blade. The pulsed flow is investigated at three frequencies of 2, 50 and 500 Hz. Finite volume method is used to solve the flow governing equations. The shear stress transport k-ω model is used to model the turbulence. The obtained results showed that the injection angle of 20 to 25 degrees had the most film cooling effectiveness for all frequencies. In higher frequency, 500 Hz, it is observed an increase in the effectiveness of the film cooling in close distances after the injection holes. At far distances, the lower frequency, 2 Hz, produces the most effectiveness. The largest difference in centerline effectiveness is achieved at 500 Hz for hole angles of 20 to 35 degrees with a value of 64.3%. This value is 98.9% for lateral effectiveness. As the frequency increases, the cooling mass flow interruptions are reduced, and as a result, the instantaneous effectiveness shows a slower variation than the lower frequencies. The blowing ratio of 0.5 had the most value in comparison with the blowing ratio of 0.75 and 1 in all angles and frequencies. The maximum difference in effectiveness is 187.4% for blowing ratio of 0.5, in comparison with the other two blowing ratios.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pulse film cooling؛ square wave flow؛ angle of injection؛ Shear stress transport k-ω turbu- lence model
  • Frequency

مراجع

[1] W. J. Gao , Z. f. Yue, L. Li, Z. N. Zhao, F.J. Tong ,Numerical simulation on film cooling with compound angle of blade leading edge model for gas turbine, International Journal of Heat and Mass Transfer, 115 (2017) 839-855.
[2] S. M. Yahya , Turbines Compressors and Fans, Tata McGraw-Hill Education, 1987.
[3] S. Priyanka, O. P. Shukla, Heat transfer analysis of gas turbine rotor blade cooling through staggered holes using CFD, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), 4(7) (2015) 425-432.
[4] Liu, J. H. Liu, Y. B. Liu ,Film cooling modeling of a turbine vane with multiple configurations of holes, Case Studies in Thermal Engineering, 11 (2018) 71-80.
[5] A. H. Moeini, M. R. Zargarabadi ,Genetic algorithm optimization of film cooling effectiveness over a rotating blade, International Journal of Thermal Sciences, 125 (2018) 248-255.
[6] Y. Li, Y. Zhang, X. Su, X. Yuan, Experimental and numerical investigations of shaped hole film cooling with the influence of endwall cross flow, International Journal of Heat and Mass Transfer, 120 (2018) 42-55.
[7] V.  K. Olga, A computational study for the utilization   of jet pulsations in gas turbine film cooling and flow  control, Cleveland State University, 2012.
[8] H. M. Hofmann, D. L. Martin, M. Kind, H. Martin , Influence of a pulsation on heat transfer and flow structure in submerged impinging jets, International Journal of Heat and Mass Transfer , 50(17) (2007) 3638- 3648.
 [9] K. Zhaoqing, J. Wang, Numerical investigations of pulsed film cooling on an entire turbine vane, Applied Thermal Engineering, 87(2015) 117-126.
[10] R. Zulkifli, K. Sopian, S. Abdullah , M. S. Takriff, Effect of pulsating circular hot air jet frequencies on local and average nusselt number, American Journal of Engineering and Applied Sciences ,1(2008) 58-62.
[11] F. Bazdidi Tehrani, A.A. Mahmoodi, Finite element analysis of flowfield in the single hole film cooling technique, Annals of the New York Academy of Sciences, 934(1) (2001) 393-400.
[12]   S. Dolati, N. Amanifard , H. M. Deilami , Numerical analysis of the effect of plasma stimulator on film cooling effectiveness on the flat plate model, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 49(3) (2016) 605-616 (in Persian).
[13] N. H. Vajargah, M. R. Salimi, M. Tayebi Rahni, Numerical simulation of film cooling around the gas turbine blade by partial averaging method of Navier- Stokes equations, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 48(3) (2016) 267-280 (in Persian).
[14]    A. Sinha, D. Bogard, M. Crawford, Film-cooling effectiveness downstream of a single row of holes with variable density ratio, journal of Turbomachinery, 113(3) (1991) 442-449.
[15]  R. J. Goldstein, L. D. Stone, Row-of-holes film cooling of curved walls at low injection angles, Journal of Turbomachinery, 119(3) (1997) 574-579.
[16]  J. S. Lee, I. S. Jung, Effect of bulk flow pulsations on film cooling with compound angle holes, International Journal of Heat and Mass Transfer, 45(1) (2002) 113-123.
[17]  S. M. Coulthard, J. R. Volino, K. A. Flack , Effect of jet pulsing on film cooling-part I: effectiveness and flow- field temperature results, Journal of Turbomachinery, 129(2) (2007) 232-246.
[18]  F. Muldoon, S. Acharya, DNS study of pulsed film cooling for enhanced cooling effectiveness, International Journal of Heat and Mass Transfer , 52(13) (2009) 3118- 3127.
[19]  K. J. Hee, K.Y. Kim ,Film-cooling performance of converged-inlet hole shapes, International Journal of Thermal Sciences, 124 (2018) 196-211.
[20]  L. Zeng, P. Chen, X. Li, J. Ren, H. Jiang ,Influence of simplifications of blade in gas turbine on film cooling performance, Applied Thermal Engineering, 128(2018) 877-886.
[21]  F.R. Menter,Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications, AIAA J, 32(1994) 1598-1605.
[22]  K. D. Lee, K. Y. Kim, Surrogate based optimization of a laidback fan-shaped hole for film-cooling , International Journal of Heat and Fluid Flow, 32(1) (2011) 226-238.
[23]   G. Xu, J. Zhu, Z. Tao, Application of the TLVA model for predicting film cooling under rotating frames.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 52، شماره 6
شهریور 1399
صفحه 1641-1658

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار