17410

17410

آشكارسازي و كمي‌سازي ساختارهاي منسجم جريان آشفته در خنك‌كاري لايه‌اي پره توربين مدل

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي

بهمن‌ماه 1395

دكتر فرزاد بازديدي طهراني

مكانيك

چكيده خنك‌كاري لايه‌اي روشي كارآمد در صنعت توربين گاز براي خنك‌كاري پره‌هاي توربين گاز مي‌باشد. پره‌هاي توربين كه در معرض گاز داغ خروجي از محفظه‌ي احتراق هستند با استفاده از اين روش از ذوب شدن و تغيير شكل آن‌ها در در دماي بالا حفاظت مي‌شود. در اين روش هواي خنك از كمپرسور گرفته مي‌شود و از سوراخ‌هايي كه داخل پره تعبيه شده است بر روي سطح پره تزريق مي‌شود و با ايجاد لايه‌اي از جريان خنك بر روي سطح پره از تماس گازهاي داغ با آن جلوگيري مي‌كند. با توجه به طبيعت سه بعدي و پيچيده جريان ناشي از برهمكنش جريان جت تزريقي و جريان اصلي، دست‌يابي به علملكرد مطلوب روش خنك‌كاري لايه‌اي مستلزم شناخت ساختارهاي پيچيده‌اي است كه در جريان شكل مي‌گيرد. در پژوهش حاضر ساختارهاي منسجم جريان آشفته خنك‌كاري لايه‌اي از نظر كيفي و كمي به‌صورت عددي مورد بررسي قرار گرفته است. براي اين منظور از رهيافت شبيه‌سازي گردابه‌هاي بزرگ (LES) جهت حل معادلات جرياني و حرارتي استفاده شده است. با توجه به روش‌هاي متعددي كه براي آشكارسازي ساختارهاي گردابه‌اي وجود دارد، توانايي روش تجزيه متعامد بهينه (POD) براي استخراج اين ساختارها در اين ‌پايان‌نامه مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد. علاوه بر آن تأثير نسبت دمش‌هاي مختلف بر ساختارهاي منسجم جريان مورد مطالعه قرار گرفته است. نتايج به‌دست آمده حاكي از آن است كه روش POD‌ يك ابزار قدرتمند براي پس‌پردازش جريان و استخراج ساختارهاي غالب جريان مي‌باشد و قابليت ارايه مقياس زماني و مقياس طولي را براي اين ساختارها دارد. علاوه بر اين جفت‌گردابه‌هاي غيرهمگرد (CRVP) و گردابه‌هاي سنجاق‌سري به عنوان مخرب‌ترين ساختارهاي گردابه‌اي جريان شناخته شدند. با افزايش نسبت دمش اين ساختارها بزرگ‌تر شده و باعث افزايش اختلاط جريان گرم و سرد مي‌شود و در نتيجه منجربه كاهش اثربخشي خنك‌كاري لايه‌اي مي‌گردد. واژه‌هاي كليدي: جريان آشفته، خنك‌كاري لايه‌اي، شبيه‌سازي گردابه‌هاي بزرگ، تجزيه متعامد بهينه، ساختارهاي منسجم

1396/03/19

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract It is well known that film cooling is one of the useful techniques in gas turbine industry. Turbine blades that are exposed to extremely hot gases exiting combustion chamber are protected from melting and deformation at high temperatures. Film cooling is a strategy which consist of some bleed air from the compressor and supplying it through discrete wholes on the blade surface to form a protective layer against the hot gases. Due to the complex three-dimensional interaction between the coolant and mainstream, achieving desired performance requires understanding of these complex structures. The focus of the present thesis is to study the film cooling turbulent flow coherent structures qualitatively and quantitatively. For this purpose, the large eddy simulation (LES) is employed to solve the Navier-Stokes equations. As there are variety of ways to visualization vortical structures in flow, the eva​luation of the proper orthogonality decomposition (POD) capability to extract these has been assessed in the present study. Besides the influence of the blowing ratio on flow field has been considered. The results imply that POD is a powerful tool for data post processing and recognizing dominant flow structures and it is able to propose length scale and time scale for these structures. Moreover, the coherent structures of counter rotating vortex pairs (CRVP) and hairpin have been identified as a most destructive flow structures. Due to increasing blowing ratio these structures become stronger. It leads to increasing the mixing between the coolant and mainstream. consequently, it results in decreasing the adiabatic effectiveness. Keywords: Turbulent flow, Film cooling, Large eddy simulation, Proper orthogonal decomposition, Coherent structures