20103

۲۰۱۰۳

تحليل تجربي و عددي تاثير پارامترهاي هندسي بر ايجاد جريان‌هاي ثانويه در افزايش انتقال حرارت در حالت دوار

دكتري

تبديل انرژي

۱۳۹۲

۱۳۹۷/۱۰/۱۷

دكتر سيد مصطفي حسينعلي پور

دكتر بنگت ساندن

مكانيك

در تمامي كلاس‌هاي توربين گاز، خنك‌كاري پره‌هاي ثابت و متحرك توربين به خصوص رديف‌هاي ابتدايي، از اهميت بيشتري برخوردار است. خنك‌كاري پره‌هاي توربين ارتباط مستقيم با افزايش بازدهي و توان توربين و همچنين افزايش عمر پره‌هاي توربين دارد. با افزايش دماي سيال ورودي به توربين، مي‌توان بازدهي و توان توليدي را افزايش داد. در توربين‌هاي متداول امروزي دماي ورودي توربين از دماي مجاز فلزات مورد استفاده، بيشتر مي‌باشد. به منظور جلوگيري از تخريب خزشي و خستگي حرارتي پره‌ها مي‌بايست از روش‌هاي مرسوم و پيشرفته خنك‌كاري استفاده گردد. از آنجا كه پره‌هاي توربين با سرعت‌هاي دوراني بالايي در حال چرخش مي‌باشند لذا خنك‌كاري پره نيز تحت تاثير دوران پره دستخوش تغييراتي قرار مي‌گيرد. دوران پره باعث ايجاد جريان‌هاي ثانويه دوراني شده و افزايش اختلاط جريان و انتقال حرارت را به دنبال خواهد داشت. از آنجا كه اين جريان‌هاي ثانويه به واسطه شكل هندسي نيز ايجاد مي‌گردد. در اين رساله، بررسي آزمايشگاهي و عددي شرايط جريان و انتقال حرارت در حضور نيروهاي كريوليس و بويانسي دوراني و همچنين تاثير ساختار و پارامترهاي هندسي مسيرهاي داخلي خنك‌كاري پره در ايجاد جريان‌هاي ثانويه علاوه بر جريان‌هاي ثانويه دوراني، از ديدگاه شاخص سينرژي جريان سيال، مورد مطالعه قرار گرفته است. در تحقيق آزمايشگاهي، علاوه بر بررسي تاثير هر يك ازپارامترهاي موثر در انتقال حرارت براي كانال مربع شكل دوار، يك رابطه جديد تجربي نيز براي ضريب ناسلت موضعي استخراج شده است. مشاهده جفت ورتكس‌هاي كريوليسي و افزايش 40٪ عدد ناسلت در لبه پسرو و كاهش 18٪ آن در لبه پيشرو در مسير اول كانال صاف و عكس اين قضيه در مسير دوم، از نتايج تحقيق عددي است. در ادامه، تاثير افزايش دوران در كانال صاف و ريب‌دار مورد مطالعه قرار گرفت. دوران در كانال صاف و كانال با ريب‌هاي 90 درجه باعث افزايش شدت جريان ثانويه و افزايش ناسلت كل شده و در كانال با ريب‌هاي 45 درجه و 60 درجه، كاهش شدت جريان ثانويه و ناسلت را به دنبال دارد.

1397/12/05

Experimental and Numerical Investigation on the Effect of Secondary Flow Induced by Angled Ribs on Heat Transfer Enhancement in a Rotating Channel

1/7/2020 12:00:00 AM

Gas turbines are widely used for aircraft propulsion, land based power generation, and numerous industrial applications. Developments in innovative gas turbine cooling technology augment the efficiency and power output by means of an increase in turbine inlet temperatures. An optimal cooling efficiency of internal cooling passages allows the engine to be designed to withstand normal material temperature restrictions. These improvements of the gas turbine internal cooling blade can cause a decrease in thermal stress, maximum blade temperature gradient and the hot spot blade temperature and accordingly increase the engine life cycle. To obtain these goals, the thermal stress study of the vane in stationary condition and blade in rotating state is a vital issue. It is obvious that rotation generates a pair of secondary flows, which change the local heat transfer coefficient for the leading and trailing walls of the internal cooling passage. The present study focuses on rotation effects on internal cooling of gas turbine blades. Thus, at first, an experimental study has been carried out to study the effects of rotation on convective heat transfer in a smooth cooling channel under rotating condition in a new rotation facility. The main motivation behind the experimental work is to obtain required data for developing heat transfer correlations based on rotating state. In addition, the second motivation behind this work is to investigate the possibility of heat transfer enhancement by vortex flow with developing turbulence in the viewpoint of field synergy principle and secondary flow intensity by a computational study. The combination and interaction between secondary flows generated by angled rib geometry and Coriolis forces in a rotating channel are studied as well. The experimental results show that the local heat transfer rate is enhanced by rotation on the trailing surface and reduced on the leading surface in outward flow. The Centrifugal Buoyancy effect is favorable to the heat transfer enhancement on both walls. In addition, by utilizing the extensive experimental data, correlations for the local Nusselt number have been updated for the leading and trailing walls in ranges of the mentioned flow parameters. Also about the numerical results, the Nusselt numbers on the ribbed duct are 2.5 to 3.5 times those of a smooth square duct, depending on the Rotation number and rib angle. The maximum value is attained for 45-deg ribbed surface. The results also indicated that, the synergy angle between the velocity and temperature gradients is improved by angled rib secondary flows and Coriolis vortex. Secondary flow intensity is increased by rotation in the 90º and 75º ribbed ducts and is decreased in 45º and 60º ribbed cases for which the rib induced secondary flow dominates.