[論文レビュー] Numerical Investigation of Effects of Compound Angle and Length to Diameter Ratio on Adiabatic Film Cooling Effectiveness

Vidit Sharma, Ashish Garg|arXiv (Cornell University)|May 3, 2014

Turbomachinery Performance and OptimizationEngineering参考文献 3被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、RANSシミュレーションとk-ε乱流モデルを用いて、タービンブレードにおける断熱的フィルム冷却効果が、コン pound 角および径長比（L/D）にどのように影響を受けるかを数値的に調査した。結果から、45°のコン pound 角とL/D = 4の組み合わせが、最高の冷却効果を示した。一方、高L/D比に大規模なコン pound 角を組み合わせると、混合が増加し、性能が低下することが明らかになった。

ABSTRACT

A modification has been done in the normal injection hole of 35 degree, by injecting the cold fluid at different angles(compound angle) in lateral direction, providing a significant change in the shape of holes which later we found in our numerical investigation giving good quality of effectiveness in cooling. Different L/D ratios are also studied for each compound angle. The numerical simulation is performed based on Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) equations with k-epsilon turbulence model by using Fluent(Commercial Software). Adiabatic Film Cooling Effectiveness has been studied for compound angles of (0, 30, 45 and 60 degrees) and L/D ratios of (1, 2, 3 and 4) on a hole of 6mm diameter with blowing ratio 0.5. The findings are obtained from the results, concludes that the trend of laterally averaged adiabatic effectiveness is the function of L/D ratio and compound angle.

研究の動機と目的

• ガスタービンブレードにおけるフィルム冷却効果に及ぼすコン pound 角およびL/D比の影響を分析すること。
• 横方向カバレッジと冷却性能を最大化する最適な幾何形状を同定すること。
• さまざまなL/D比およびコン pound 角における冷却剤の広がりと混合損失のトレードオフを評価すること。
• 標準的な35°ホールと比較して、コン pound 角ホールの有効性および流れのダイナミクスを評価すること。
• 高度なホール形状およびL/D比を用いた、強化されたフィルム冷却のための設計指針を提供すること。

提案手法

• 商用ソフトウェア ANSYS Fluent を用いて、レイノルズ平均ナビエ＝ストークス（RANS）方程式に基づく数値シミュレーションを実施した。
• 冷却ジェットと主流の相互作用における乱流特性を捉えるために、標準k-ε乱流モデルを適用した。
• 断熱的フィルム冷却効果は、次元なし温度差の式を用いて計算した：η = (T_H - T_W)/(T_H - T_C)。
• コン pound 角は0°、30°、45°、60°、L/D比は1、2、3、4とし、6 mmの直径を持つホールを用いてシミュレーションを実施した。
• 吹き出し比は0.5に固定し、全ケースにおいて高温流の温度および速度を一定に維持した。
• 表面全体の冷却性能を評価するために、横方向平均効果（η_avg）を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コン pound 角を増加させることで、フィルム冷却の横方向拡が広がり、冷却効果にどのような影響を及ぼすか？
• RQ2 L/D比が、冷却剤フィルムの下流における分布および持続性に与える影響は何か？
• RQ3 コン pound 角とL/D比が、冷たい流体と熱い流体の混合にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 どのコン pound 角とL/D比の組み合わせが、平均的なフィルム冷却効果を最も高めるか？
• RQ5 高L/D比は、特に高コン pound 角の場合に、冷却性能を常に向上させるのか？

主な発見

• 全テスト構成の中で、45°のコン pound 角とL/D = 4の組み合わせが、最も高い横方向平均フィルム冷却効果を示した。
• L/D = 1の場合、コン pound 角を0°から60°に増加させることで、横方向拡が広がり、渦形成が抑制されたため、冷却効果が向上した。
• L/D = 2の場合、高コン pound 角では冷却剤の広がりが著しく増加し、主流との混合が早期に進行したため、冷却効果が顕著に低下した。
• L/D = 3の場合、短い下流距離（X/D < 5）では60°コン pound 角が優れた性能を示したが、さらに下流では性能が低下した。
• L/D = 4では、すべてのコン pound 角で高い冷却効果が一貫して得られたが、60°では過剰な混合が原因で性能が急激に低下した。
• 30°および45°のコン pound 角は、全L/D比で安定的かつ高い冷却効果を示した。特に、ピーク値および平均値の両面で45°が他のすべての条件を上回った。