شبیه‌سازی و تحلیل عددی سه بعدی تولید آنتروپی محلی و اگزرژی تخریبی در پره استاتور یک توربین‌گاز نمونه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه آموزشی آیرودینامیک، مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

چکیده

آنتروپی به عنوان یک پارامتر کلیدی، محدودیت تئوری عملکرد و کیفیت بسیاری از کاربردهای مهندسی را فراهم آورده است. در این پژوهش تحلیل سه بعدی تولید آنتروپی، تولید آنتروپی محلی و اگزرژی تخریبی پره استاتور توربین به کمک کدنویسی توابع فلوئنت صورت گرفته است. نوآوری کار حاضر محاسبه‌ی نرخ اگزرژی تخریبی پره سه بعدی توربین به کمک نرم‌افزار فلوئنت است. برای پیش‌بینی مناسب چسبندگی مؤثر و هدایت حرارتی مؤثر از مدل ) k-ω(SST و اسپالارت آلماراس استفاده شده است. به علت حساسیت به انحنای نوک پره و جریانات ویک، مدل k-ω(SST( متوسط تولید آنتروپی را حدود 85 درصد بیشتر از مدل اسپالارت آلماراس به دست آورد هاست. آنتروپی تولیدی محلی با توجه به مقیاس صورت گرفته از ریشه تا نوک پره افزایش یافته است. اختلاف مقادیر تولید آنتروپی محلی با قانون دوم ترمودینامیک برای مدل‌های ) k-ω(SST و اسپالارت آلماراس به ترتیب 7/ 4 و 2/ 10 درصد است. ضرایب توربولانس تقریبی به کمک تابع کاربری ساده در نرم‌افزار فلوئنت کدنویسی شده که باعث افزایش تولید آنتروپی محلی حدود 130 درصد شده است. مدل ) k-ω(SST مقدار اگزرژی تخریبی یک طبقه توربین را )طبق قضیه گویا-استودلا( 1098 کیلو وات محاسبه کرده که به علت مقیاس در نظر گرفته شده 4 برابر حالت دوبعدی است. مقادیر تولید آنتروپی محلی محاسبه شده در مقایسه با پره‌ی استاتور توربین مقاله معتبر اعتبارسنجی شده است که تطابق قابل قبولی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

3D-Simulation and Numerical Analysis of the Local Entropy Generation and Exergy Destruction in a Stator Vane of a Typical Gas Turbine

نویسندگان [English]

  • Mohsen Soroushan
  • Hamid Parhizkar
  • Jamasb Pirkandi
Aerospace Department, Malek Ashrar University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Entropy serves as a key parameter in achieving the theoretical limits of performance and quality in many engineering applications. In this paper, the three-dimensional analysis of entropy generation, local entropy generation and exergy destruction of turbine stator vane by user defined function code have been done. The current innovation is to calculate the exergy destruction rate of the turbine three-dimensional vane with the help of FLUENT software. The k-ω (SST) and Spalart-Allmaras models are suitable for prediction of proper effective viscous and thermal conductivity. Due to the sensitivity to the tip of the vane and the wake flows, k-ω (SST) model obtained the mean value of entropy generation by about 85% more than the Spalart-Allmaras model. Local entropy generation has increased with respect to the scale from the root to the tip of the vane. The difference between the values of local entropy generation and the second law of thermodynamic for k-ω (SST) and Spalart-Allmaras models are 7.4% and 10.2%, respectively. Approximate turbulence coefficients have been introduced with the aid of a custom field function that increases the local entropy generation about 130%. The k-ω (SST) model calculated the exergy destruction value of a turbine stage of 1098 kW, which is 4 times the size of the two-dimensional mode due to the scale. The values of local entropy generation calculated in comparison with the stator vane of the turbine of the authentic paper are validated, which has acceptable adaptation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Laboratory stator turbine vane
  • Local entropy generation
  • Second
  • law of thermodynamics
  • Exergy destruction
  • Three-dimensional numerical simulation

مراجع

[1] Y.  A.  Cengel,  M.   A.   Boles,   Thermodynamics an engineering approach, 3rd Edition, Tehran: Motefakeran Publication, 2006. (in Persian)
[2]  G. Natalini, E. Sciubba, Choice of the pseudo-optimal configuration of a cooled gas  turbine  blade  based on a constrained minimization of the global entropy production rate, In Proceedings of international gas turbine and aeroengine congress and exhibition, Birmingham, UK, 1996.
[3]  F. Kock, H. Herwig, Local entropy production in turbulent shear flow: a high reynolds number model with wall function, Elsevier, 121 (2003) 1-21.
[4]  S. Hayashibara, Cascade flow simulation and measurement for the study of axial compressor loss mechanism, University of Wichita, Japan, 2003.
[5]  K.  Alabi,  F.  Ladeined,  Assesing  CFD   modeling of entropy generation for  the  frame  subsystem  in an integrated aircraft design/synthetic procedure, presented at 44th AIAA aerospace sciences meeting and exhibit, Nevada, USA, 2006.
[6]  V. Iyenger, A first principles based methodology for design of axial compressor configurations, Georgia Institute of Technology, USA, 2007.
[7]  C. L. Iandoli, E. Sciubba, N. Zeoli, The computing of the entropy generation rate for turbomachinery design application: some theoretical remarks and practical example, Energy Technology and Policy, 6 (2008) 64- 95.
[8]  E. Lakzian, R. Soltanmohamadi, M. Nazeryan, A comparison between entropy  generation  analysis and first law efficiency in a monoplane wells turbine, Scientia Iranica, 23 (2016) 2673-2681.
[9]  Y. Jin, J. Du, Z. Li, H. Zhang, Second-law analysis of irreversibility losses in gas turbine, Entropy, 19 (2017) 1-19.
[10]    W. Wang, J. Wang, H. Liu, B. Y. Jiang, CFD prediction of airfoil drag in viscous flow using the entropy generation method, 2018 (2018) 1-15.
[11] T. Arts, M. L. D. Rouvorit, Aero-thermal performance of a two dimensional highly loaded transonic turbine nozzle guide vane, Presented at the Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposistion, Brussels, Belgium, 1990.
[12]  G. Paniagua, R. Denos, T. Arts, Steady-unsteady measurement of the flow field downstream of a transonic high-pressure turbine stage, Presented at the 4th European Conference on Turbomachinary, Italy, 2001.
[13]  D. Joshi, Aerodynamic shape optimization of 3D gas turbine blade using differential evolution method, University of Texas, USA, 2010.
[14]  E. C. Morata, Impact of the unsteady aerothermal environment on the turbine blades, University of Toulouse, France, 2012.
[15]  I. S. Ertesveg, J. Kolbu, Entropy production modeling in CFD of turbulent combustion flow, Norwegian University of Science and Technology, NO-7491, Trondhim, Norway, 2002.
[16]  H. Z. Hassan, Evaluation of the local exergy destruction in the intake and fan of a turbofan engine, Energy, 63(2013) 245-251.
[17]  T. Takakura, Entropy generationin the tip region of  a high-pressure turbine, University of Notre Dame, Indiana, 2016.
[18]  Fluent, User’s Guide version 16.1, Fluent Incorporation, USA, 2015.
[19]  E. Perez, Entropy generationin in a highly-loaded axial turbine, University of Notre Dame, Indiana, 2014.
[20]  F. Kock, H. Herwig, Entropy production calculation for turbulent shear flows and their implementation in cfd codes, Heat and Fluid Flow, 26 (2005) 672-680.
[21]  Z. S. Kolenda, J. S. Szmyd, J. Huber, Entropy generation minimization in steady state and transient diffusional heat conduction processes, Bulletin of the polish academy of sciences, 62 (2014) 875-882.
[22]  M. B. Zlatinov, C. S. Tan, M. Montgomery, T. Islam, M. Harris, Turbine hub and shroud sealing flow loss mechanisms, Turbomachinery, 134 (2012) 061027.1- 061027.12.
[23]  A. Bejan, Convection heat transfer, 4th Edition, New Yourk: Wiley & Sons, 2013.
[24] G. Giangaspero, E. Sciubba, Application of the EGM method to a LED-Based spotlight: a constrained peseudo-optimization design process based on the analysis of the local entropy generation, Entropy, 13 (2011) 1212-1228.
[25] Y. Wei, Z. Wang, Y. Qian, A numerical study on entropy generation in two-dimensional rayleigh- benard convection at different prandtl number, Entropy, 19 (2017) 1-13.
[26] M. Ozgun korukcu, 2D Tempreature analysis of energy and exergy characteristics of ,aminar steady fow across a square cylinder under strong bockage, Entropy, 17 (2015) 3124-3151.
[27] G. Natalini, E. Sciubba, Minimization of the local rates of entropy production in the design of air-cooled gas turbine blades, Engineering for Gas Turbine and Power, 121 (1999) 466-475.
[28] O. E. Orhan, Investigation of the effect of turbulence on entropy generation in turbomachinary, University of Middle East, Turkey, 2014.
[29] E. Orhan, O.Uzol, Direct calculation of entropy generation by solving reynolds-averaged entropy transport equation in an air-cooled turbine cascade, In Proceedings of American Society of Mechanical Engineers turbo expo, Copenhagen, Denmark, 2012.
[30]   K. Hillewaet, J. S. Cagnone, A. Frere, M. Rasquin, Z. Zeren, Development of a DGM solver for scale- resolving simulation, the 4th Workshop on order CFD methods, Italy, 2016.
[31]  S. Yoon, T. Vandeputte, H. Mistry, J. Ong, A. Stein, Loss audit of a turbine stage, Turbomachinery, 138 (2016) 051004.1-051004.9.
[32]  M. K. Drost, M. D. White, Local entropy generation analysis, VA 22161, USA, (1991) 1.1-7.2.
[33]  B. Schmandt, H.Herwig, Diffuser and nozzle design optimization by entropy generation minimization, Entropy, 13 (2011) 1380-1402.
[34]  T. Eger, T. Bol, D. Thevenin, R. Schroth, G. Janiga, Preliminary numerical investigation of entropy generation in electric machines based on a canonical configuration, Entropy, 17 (2015) 8187-8206.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 52، شماره 11
بهمن 1399
صفحه 3125-3142

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار