شبيه سازي عددي انتقال حرارت در كانال دندانه دار پره توربين

Simulation of Heat Transfer in A Ribbed Channel of A Gas Turbine Blade

خنك كاري پره ها از چالش هاي پيش رو در توسعه توربين هاي گازي است. به منظور بهبود انتقال حرارت در داخل پره، از كانال هاي خنك كاري استفاده مي شود. استفاده از دندانه هاي تكرارشونده در سطوح داخل كانال تاثير قابل توجهي بر مشخصه هاي جريان سيال و انتقال حرارت دارد. در مطالعه حاضر به شكل عددي به مطالعه تاثير دندانه هاي تكرار شونده با گام تكرار و ارتفاع معين پرداخته شده است. براي جريان هاي با اعداد رينولدز 10000 تا 80000، جريان آشفته سيال و انتقال حرارت مورد شبيه سازي قرار گرفت. روش حجم محدود مورد استفاده قرار گرفت، براي شبيه سازي آشفتگي از مدل استاندارد k – ε استفاده شد. شرط مرزي حرارتي شار حرارتي ثابت در ديواره كانال بود. مقدار شار حرارتي به نحوي تعيين گرديد تا اختلاف دما بين 10 تا 15 درجه سانتيگراد باشد. نتايج مطالعه حاضر با نتايج تجربي موجود در شرايط مشابه مورد مقايسه قرار گرفت. ضريب افت فشار در هر دو حالت دوبعدي و سه بعدي تشابه خوبي با مقادير تجربي داشت. ضريب انتقال حرارت كه در محاسبه دوبعدي حاصل شد، تفاوت اندكي با نتايج تجربي داشت. دقت نتايج شبيه سازي سه بعدي براي ضريب انتقال حرارت در محدوده رينولدز پايين مناسب نبود، اما با افزايش عدد رينولدز به طور پيوسته بهبود يافت. مشاهده شد كه حداكثر انتقال حرارت و افت فشار به ترتيب در حدود بيش از 200% و 300% افزايش پيدا كرد. از دلايل افزايش انتقال حرارت مي توان به ايجاد جريان هاي ثانويه و ايجاد گسستگي در رشد لايه مرزي اشاره نمود.

Cooling of blades is a challenge in advancement of gas turbines. Channels are used inside the blades to improve the heat transfer. Repeated ribs have significant impact on the heat transfer and pressure drop characteristics of a channel. In this study the effect of ribs with specified geometry is numerically investigated. In a relatively large range of Reynolds from 10000 to 80000, the fluid flow and heat transfer were simulated. The finite volume method was implemented. To model the turbulence, the standard k– ε model was used. The thermal boundary condition was the constant heat flux at the channel surfaces. The magnitude of the heat flux was assigned in a way to result in temperature difference from 10 K to 15 K. The results of current research were compared to the available experimental data under similar flow conditions. The coefficient of pressure drop was comparable with experimental data both in two dimensional and three dimensional cases. In the two dimensional simulation, the heat transfer coefficient was similar to the experimental data in the range of this study. In the three dimensional simulation, accuracy of the heat transfer coefficient in the case of low Reynolds was not satisfactory. However, it improved progressively as the Reynolds number increased. It was observed that, the maximum improvement in the heat transfer and pressure drop are about more than 200% and 300% respectively. Heat transfer augmentation could be explained by the presence of the secondary flows and disruption of the boundary layer growth due to the ribs.