[논문 리뷰] Numerical Investigation of Effects of Compound Angle and Length to Diameter Ratio on Adiabatic Film Cooling Effectiveness

Vidit Sharma, Ashish Garg|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 03.

Turbomachinery Performance and OptimizationEngineering참고 문헌 3인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 RANS 시뮬레이션과 k-ε 난류 모델을 사용하여 터빈 블레이드에서 복합 각도와 길이-지름비(L/D) 비율이 단열 필름 냉각 성능에 미치는 영향을 수치적으로 분석한다. 결과적으로 45° 복합 각도와 L/D = 4 조합이 가장 높은 냉각 성능을 보였으며, 높은 L/D 비율과 큰 복합 각도는 혼합을 증가시켜 성능을 저하시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가스 터빈 블레이드에서 복합 각도와 L/D 비율이 필름 냉각 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 가장 넓은 횡방향 커버리지와 냉각 성능을 극대화하는 최적의 기하 구조를 규명하기 위해.
• 다양한 L/D 비율과 복합 각도에서 냉각제 확산과 혼합 손실 간의 상충 관계를 평가하기 위해.
• 표준 35° 구멍과 비교하여 복합 각도 구멍의 성능 및 유동 역학적 특성을 평가하기 위해.
• 고도화된 구멍 기하 구조와 L/D 비율을 활용한 향상된 필름 냉각 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 유한체적 방법 기반의 레이놀즈 평균 나비에르-스토크스(RANS) 방정식을 사용하여 상용 소프트웨어 ANSYS Fluent를 기반으로 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 냉각제 제트와 메인스트림 간의 난류 흐름 특성을 포착하기 위해 표준 k-ε 난류 모델을 적용하였다.
• 단위가 없는 온도 차이 공식을 사용하여 단열 필름 냉각 성능을 계산하였다: η = (T_H - T_W)/(T_H - T_C).
• 0°, 30°, 45°, 60°의 복합 각도와 1, 2, 3, 4의 L/D 비율을 갖는 6 mm 지름의 구멍을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 블로잉 비율은 0.5로 고정되었으며, 각 케이스에서 고온 유동의 온도와 속도는 일정하게 유지되었다.
• 표면 전반의 전체 냉각 성능을 평가하기 위해 횡방향 평균 성능(η_avg)을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복합 각도를 증가시키면 필름 냉각의 횡방향 확산과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 L/D 비율이 냉각제 필름의 하流 분포 및 지속성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 복합 각도와 L/D 비율이 냉각제와 고온 유동 간 혼합에 미치는 상호작용은 어떠한가?
• RQ4 복합 각도와 L/D 비율의 어떤 조합이 가장 높은 평균 필름 냉각 성능을 제공하는가?
• RQ5 높은 L/D 비율이 항상 냉각 성능을 향상시키는가, 특히 높은 복합 각도에서 그러한가?

주요 결과

• 모든 시험 구성에서 45° 복합 각도와 L/D = 4 조합이 가장 높은 횡방향 평균 필름 냉각 성능을 보였다.
• L/D = 1일 경우 복합 각도를 0°에서 60°로 증가시키면 횡방향 확산 향상과 소용돌이 형성 감소로 인해 성능이 향상되었다.
• L/D = 2일 경우 높은 복합 각도에서 냉각제 확산 증가와 메인스트림과의 조기 혼합으로 인해 성능이 크게 저하되었다.
• L/D = 3일 경우 단거리 하류 거리(X/D < 5)에서는 60° 복합 각도가 뛰어난 성능을 보였지만, 더 먼 거리에서는 성능이 저하되었다.
• L/D = 4일 경우 모든 복합 각도에서 높은 성능가 유지되었으나, 60°에서는 과도한 혼합으로 인해 성능이 급격히 감소하였다.
• 30°와 45° 복합 각도는 모든 L/D 비율에서 안정적이고 높은 성능을 보였으며, 최고의 피크 및 평균 성능을 확보한 45°가 다른 조합보다 뛰어났다.