مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شبیه‌سازی عددی اثربخشی خنک‌کاری لایه‌ای نوسانی موج سینوسی با توجه به تغییر پارامترهای تزریق خنک‌کننده

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
چکیده
در این مقاله اثر تغییر زاویه تزریق بر اثربخشی خنک‌کاری لایه‌ای با نوسان موج سینوسی در فرکانس‌های مختلف بررسی می‌شود. چهار زاویه تزریق ۲۰، ۲۵، ۳۰ و ۳۵درجه انتخاب شده‌اند. جریان نوسانی در سه فرکانس ۲، ۵۰ و ۵۰۰هرتز مورد بررسی قرار می‌گیرد. مدل‌سازی هندسه در نرم‌افزار گمبیت و تحلیل عددی توسط نرم‌افزار فلوئنت انجام شد. از مدل SST k-ω برای مدل‌سازی آشفتگی استفاده شد. نتایج نشان داد که زاویه تزریق بین ۲۰ تا ۲۵درجه در سه فرکانس مورد بررسی، بیشترین اثربخشی خنک‌کاری لایه‌ای خط مرکزی و جانبی را به‌خصوص در نواحی دور از لبه سوراخ تزریق داشت. فرکانس‌های بالاتر (۵۰۰هرتز) افزایش اثربخشی خنک‌کاری لایه‌ای در فواصل ابتدایی پایین‌دست سوراخ را به دنبال دارند. در فواصل دوردست، فرکانس پایین‌تر (۲هرتز) بیشترین اثربخشی را دارد. با افزایش فرکانس، تفاوت مقدار اثربخشی خنک‌کاری خط مرکزی و جانبی در زوایای مختلف کاهش می‌یابد. با افزایش فرکانس فاصله زمانی قطع و وصل جریان کاهش یافته و در نتیجه اثربخشی لحظه‌ای نیز دارای تغییرات کُندتری نسبت به فرکانس‌های پایین‌تر است. نسبت دمش ۰/۵ به نسبت دمش ۰/۷۵ و ۱ در تمامی زوایا و فرکانس‌ها بیشترین اثربخشی را داشت.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Simulation of the Sinusoidal Wave Pulsed Film Cooling Effectiveness Due to the Changing Cooling Injection Parameters

نویسندگان English

S.M. Hosseini Baghdad Abadi
S. Zirak
M. Rajabi Zargar Abadi
Energy coversion Department, Mechanical Engineering Faculty, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده English

In this paper, the effect of the angle of injection on the film cooling effectiveness with sinusoidal wave pulsation is investigated at various frequencies. Four angles of injection are selected at 20, 25, 30, and 35 degrees. The pulsed flow is investigated at 3 frequencies of 2, 50, and 500 Hz. Geometry was simulated in Gambit and numerical analysis was done by Fluent software. The SST k-ω model was used for modeling turbulence. The results showed that the injection angle between 20 and 25 degrees in the frequencies studied had the most film cooling effectiveness of the central and lateral line, especially in the areas far from the edge of the hole. Higher frequencies (500 Hz) increase the effectiveness of the film cooling at the lower initial distances of the hole. At far distances, the lower frequency (2 Hz) is the most effectiveness. As the frequency increases, the difference in the cooling efficiency of the central and lateral lines decreases at different angles. As the frequency increases, the interruptions of the flow-off and the flow-on are reduced, and as a result, the instantaneous effectiveness also has 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.

کلیدواژه‌ها English

Pulsed Film Cooling
Sinusoidal Wave
Angle of Injection
SST k-ω Model
Frequency
1- Yahya SM. Turbines compressors and fans. New delhi: McGraw-Hill Education (India) Pvt Limited; 2010. pp. 430-433. [Link]
Singh P, Shukla OP. Heat transfer analysis of gas turbine rotor blade cooling through staggered holes using CFD. International Journal of Engineering Research and General Science. 2016;4(2):538-545. [Link]
Gao W, Yue Z, Li L, Zhao Z, Tong F. Numerical simulation on film cooling with compound angle of blade leading edge model for gas turbine. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017;115(Pt A):839-855. [Link]
Moeini AH, Rajabi Zargarabadi M. Genetic algorithm optimization of film cooling effectiveness over a rotating blade. International Journal of Thermal Sciences. 2018;125:248-255. [Link] [DOI:10.1016/j.ijthermalsci.2017.11.030]
Li Y, Zhang Y, Su X, Yuan X. Experimental and numerical investigations of shaped hole film cooling with the influence of endwall cross flow. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018;120:42-55. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.150]
Hofmann HM, Movileanu DL, Kind M, Martin H. Influence of a pulsation on heat transfer and flow structure in submerged impinging jets. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2007;50(17-18):3638-3648. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.02.001]
Kartuzova OV. A computational study for the utilization of jet pulsations in gas turbine film cooling and flow control [Dissertation]. Cleveland: Cleveland State University; 2010. [Link]
Ke Z, Wang J. Numerical investigations of pulsed film cooling on an entire turbine vane. Applied Thermal Engineering. 2015;87:117-126. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2015.05.022]
Bazdidi Tehrani F, Mahmoodi AA. Finite element analysis of flowfield in the single hole film cooling technique. Annals of the New York Academy of Sciences. 2001;934:393-400. [Link] [DOI:10.1111/j.1749-6632.2001.tb05875.x]
Coulthard SM, Volino RJ, Flack KA. Effect of jet pulsing on film cooling - Part I: Effectiveness and flow-field temperature results. Journal of Turbomachinery. 2006;129(2):232-246. [Link] [DOI:10.1115/1.2437231]
Ekkad SV, Ou S, Rivir RB. Effect of jet pulsation and duty cycle on film cooling from a single jet on a leading edge model. Journal of Turbomachinery. 2006;128(3):564-571. [Link] [DOI:10.1115/1.2185122]
Muldoon F, Acharya S. DNS study of pulsed film cooling for enhanced cooling effectiveness. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009;52(13-14):3118-3127. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.01.030]
Goldstein RJ, Stone LD. Row-of-holes film cooling of curved walls at low injection angles. Journal of Turbomachinery. 1997;119(3):574-579. [Link] [DOI:10.1115/1.2841160]
Lee JS, Jung IS. Effect of bulk flow pulsations on film cooling with compound angle holes. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2002;45(1):113-123. [Link] [DOI:10.1016/S0017-9310(01)00133-8]
Kim JH, Kim KY. Film-cooling performance of converged-inlet hole shapes. International Journal of Thermal Sciences. 2018;124:196-211. [Link] [DOI:10.1016/j.ijthermalsci.2017.10.014]
Zeng L, Chen P, Li X, Ren J, Jiang H. Influence of simplifications of blade in gas turbine on film cooling performance. Applied Thermal Engineering. 2018;128:877-886. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2017.09.008]
Menter FR. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal. 1994;32(8):1598-1605. [Link] [DOI:10.2514/3.12149]
Lee KD, Kim KY. Surrogate based optimization of a laidback fan-shaped hole for film-cooling. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2011;32(1):226-238. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatfluidflow.2010.08.007]
Sinha AK, Bogard DG, Crawford ME. Film-cooling effectiveness downstream of a single row of holes with variable density ratio. Journal of Turbomachinery. 1991;113(3):442-449. [Link] [DOI:10.1115/1.2927894]
Xu G, Zhu J, Tao Z. Application of the TLVA model for predicting film cooling under rotating frames. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2010;53(15-16):3013-3022. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.03.029]