بررسی عددی تأثیر شیب بالادست جریان روی عملکرد خنک‌کاری لایه‌ای همراه با سوراخ خنک‌کاری استوانه‌ای و لایه‌گستر‌

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی و مهندسی شرق گیلان، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 دانشکده مهندسی هوافضا و مکانیک، دانشگاه اکلاهما، اکلاهما، امریکا

چکیده

در تحقیق حاضر، تأثیر شیب بالادست جریان اصلی بر میدان‌های جریان و دما در روش خنک‌کاری لایه‌ای از طریق یک ردیف سوراخ مجزای استوانه ای و سوراخ تزریق لایه گستر به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این مطالعه، جریان به صورت سه‌بعدی، آشفته، تراکم ناپذیر و پایا در نظر گرفته شده است. شبیه سازی‌های عددی با استفاده از یک شبکه سازمان یافته غیریکنواخت و توسط مدل آشفتگی کی-اپسیلون رینولدز پایین انجام شده است. مسئله حاضر در زاویه تزریق 35 درجه و به ازای نسبت طول به قطر سوراخ 1/75 و نسبت چگالی 2 و همچنین برای نسبت دمش‌های  0/5، 1 ، 1/5 و 2 مورد تحلیل قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که در حالت سوراخ تزریق استوانه ای و لایه‌گستر در نسبت دمش‌های پایین(کمتر از 1)، حضور شیب بالادست جریان مفید نخواهد بود. استفاده از سوراخ تزریق لایه گستر باعث ایجاد عملکرد خنک کاری لایه ای بهتری در همه نسبت دمش‌ها در مقایسه با سوراخ تزریق استوانه ای می‌شود. همچنین در هر دو حالت سوراخ تزریق لایه‌گستر و استوانه ای با افزایش نسبت دمش، وجود شیب بالادست باعث بهبود کارایی آدیاباتیک خنک کاری لایه ای می‌شود. و حالت بهینه برای شرایط مورد مطالعه در حالت صفحه تخت همراه با سوراخ تزریق لایه‌گستر برای نسبت دمش0/5  رخ می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Upstream Ramp Effects on the Cooling Performance by Cylindrical and Fan-Shaped Hole

نویسندگان [English]

  • S. S. Mousavi 1
  • N. Amanifard1 1
  • H. Mohaddes Deylami 1
  • M. Naghashnejad 2
1 Department of Mechanical Engineering, University of Guilan, Rasht, Iran
2 Mechanical Engineering Department, University of Oklahoma, Oklahoma, USA
چکیده [English]

In this study, numerical analysis has been employed to investigate of upstream ramp effects on the flow and thermal field of incompressible, steady, turbulence three dimensional film cooling through a single row of inclined cylindrical and fan-shaped hole. The computational methodology includes the use of a structured, non-uniform hexahedral grid consisting of the main flow channel, the coolant delivery tube and the feeding plenum. The Low Re K- model is adopted as the turbulence model. In the present study, computations are performed for the flowing range of film cooling parameters: streamwise injection angle 35 deg; film-hole length-to-diameter ratio of 1.75; blowing ratio of 0.5, 1, 1.5 and 2 and density ratio of 1.6. The results show that at lowest blowing ratio (M=0.5) the presence of the upstream ramp for cylindrical hole is in useful. The fan-shaped hole creates better film cooling performance in all blowing ratio compared with the cylindrical hole. As well as in both cases, the fan-shaped and cylindrical hole, the upstream ramp improves the film cooling effectiveness by incrementing blowing ratio. Last but not least, an optimum film cooling geometry for studied cases is occurred on flat plate model by fan-shaped hole at blowing ratio of 0.5.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Upstream Ramp
  • Film cooling
  • Fan-Shaped Hole
  • Adiabatic effectiveness
  • Numerical investigation
[1] A.K. Sinha, D.G. Bogard, M.E. Crawford, Film-cooling effectiveness downstream of a single row of holes with variable density ratio, ASME Journal of Turbomachinery, 113 (1991) 442-449.
[2] J.R. Pietrzyk, D.G. Bogard, M.E. Crawford, Hydrodynamic Measurements of Jets in Crossflow for Gas Turbine Film Cooling Applications, ASME Journal of Turbomachinery, 111 (1989) 139-145.
[3] A. Rozati, D.K. Tafti, Effect of coolant-mainstream blowing ratio on leading edge film cooling flow and heat transfer-LES investigation, Journal of Heat and Fluid Flow, 29 (2008) 857-873.
[4] D.K. Walters, J.H. Leylek, A Systematic Computational Methodology Applied to a Three-Dimensional Film-Cooling Flowfield, ASME J. of Turbomachinery, 119 (1997) 777-785.
[5] M. Naghashnejad, N. Amanifard, H. M.Deylami, A Predictive Model Based on a 3-D Computational Approach for Film Cooling Effectiveness over a Flat Plate Using GMDH-type Neural Networks, Heat and mass transfer, Springer, 50 (2014) 139-149
[6] D.G. Hyams, J.H. Leylek, A detailed analysis of film cooling physics: part III—streamwise injection with shaped holes, ASME J. of turbomachinery, 122 (2000) 122-132.
[7] C. Saumweber, A. Schulz, Effect of Geometry Variations on the Cooling Performance of Fan-Shaped Cooling Holes, ASME J. of turbomachinery, 134 (2012) 061008-1-16
[8] S.P. Chen, M.K. Chyu, T.I.-P. Shih, Effects of upstream ramp on the performance of film cooling, International Journal of Thermal Sciences, 50 (2011) 1085-1094.
[9] S. Na, T.I.-P. Shih, Increasing adiabatic film cooling effectiveness by using an upstream ramp, ASME Journal of Heat Transfer, 129 (2007) 464-471
[10] F. Jafarian, N. Amanifard, M. Naghashnejad, H. M.Deylami, Numerical investigation of the effect of upstream ramp on the adiabatic film cooling effectiveness, The 22th Annual International Conference of Iranian Mechanical Engineering, Shahid Chamran of University of Ahvaz, (2014). (in persian).
[11] Gambit User’s Manual, Version 2.3.16 (2006).
[12] B.E. Launder, B.I. Sharma, Application of the Energy Dissipation Model of Turbulence to the Calculation of Flow Near a Spinning Disc, Heat and Mass Transfer, 1 (1974) 131-138.
[13] Ansys Fluent User’s Manual, Version 15 (2013).