شبيه‌سازي انتقال گرما و توزيع دما روي ديسك‌هاي دوار موتور جت

Simulation of Heat Transfer and Temperature Distribution in Jet Engine Rotating Disks

ديسك‌هاي دوار در توربين‌هاي گاز زميني و هوايي اعم از توربوجت، توربوفن، توربوپراپ و توربوجت در دماهاي بالا، گراديان‌هاي گرمايي شديد و سرعت‌هاي زاويه‌اي بالا كار مي‌كنند. اين شرايط كاري به ترتيب منجر به كاهش مقاومت ماده سازنده ديسك، افزايش سطح تنش‌هاي حرارتي و ايجاد نيروي گريز از مركز بزرگ و به دنبال آن افزايش سطح تنش‌هاي شعاعي و محيطي مي‌شود. بنابراين تحليل حرارتي ديسك جهت ايجاد توزيع دما و انتقال گرماي مناسب با ايجاد مكانيزم خنك‌كاري كارا از اهميت خاصي برخوردار است. در اين تحقيق، مساله ديسك چرخان مطابق با واقعيت مدل مي‌شود. مساله شامل ديسك و حفره چرخان به‌منظور خنك‌كاري سطح ديسك در نظر گرفته شده، سپس به كمك حل همزمان معادلات جريان و انرژي در نرم‌افزار Fluent به‌صورت عددي شبيه‌سازي‌ شده است. نتايج توزيع سرعت، انتقال حرارت و توزيع دما به‌تفصيل توضيح داده شده و كانتورهاي توزيع دما و تقريب چندجمله‌اي براي توصيف دماي ديسك بر حسب شعاع آن براي حالت‌هاي مختلف پرواز استخراج مي‌شوند. همچنين يك تحليل جامع روي پارامترهاي مؤثر بر انتقال گرما و توزيع دماي مساله ارائه مي‌شود. تقريب چندجمله‌اي پروفيل‌هاي دماي ديسك بر حسب سرعت دوراني امكان پيش‌بيني توزيع دماي ديسك را در هر سرعت چرخشي فراهم مي‌كند. همچنين بر اساس نتايج اين تحقيق، بحراني‌ترين قسمت ديسك، شعاع بيروني آن كه تحت بيشترين تنش حرارتي-مكانيكي قرار دارد، تشخيص داده شد.

Rotating disks function at high temperatures, thermal gradients and angular velocities in aerial or land gas turbines such as turbojets, turbofans, turboprops and turbojets. These working conditions result in reduced strength of disk material, increased amount of thermal stresses and creation of large centrifugal forces that leads to an increased level of radial and angular stresses. Therefore, thermal analysis of the disk in order to establish appropriate temperature distribution and adequate heat transfer using an effective cooling mechanism is of peculiar importance. In this paper rotating disk problem is modeled in accordance with reality. The problem which consists of a rotating disk and cavity in order to cool the disk surface is considered. After that problem is simulated by simultaneously solving flow and energy equations numerically. The results of the velocity distribution, heat transfer and temperature distribution are comprehensively explained. Furthermore, temperature distribution contours and polynomial approximation to describe the temperature of the disk in terms of its radius are derived for various flight cycles. Also, a comprehensive analysis of the parameters affecting heat transfer and temperature distribution is proposed. The polynomial approximation of temperature profiles of the disk, makes it possible to anticipate disk temperature at any rotational speed. Furthermore, based on the results of this research, outer diameter of the disk is identified as the most critical part of the disk, which is under the most severe thermal-mechanical stress.