[论文解读] 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 22

一句话总结

本研究通过使用k-ε湍流模型的RANS模拟，数值研究了复合角和长径比（L/D）对涡轮叶片绝热膜冷却效果的影响。结果表明，45°复合角配合L/D = 4时获得最高的冷却效果，而高L/D比与大复合角会增加混合损失并降低性能。

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.

研究动机与目标

• 分析复合角和L/D比对燃气轮机叶片膜冷却效果的影响。
• 识别能最大化横向覆盖范围和冷却性能的最优几何构型。
• 评估在不同L/D比和复合角下，冷却剂展布与混合损失之间的权衡。
• 对比复合角孔与标准35°孔在冷却效果和流体动力学特性方面的表现。
• 为采用先进孔型几何结构和L/D比提升膜冷却效果提供设计指导。

提出的方法

• 基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，使用商业软件ANSYS Fluent进行数值模拟。
• 采用标准k-ε湍流模型，以捕捉冷却剂射流与主流相互作用的湍流流动特性。
• 采用无量纲温度差公式计算绝热膜冷却效果：η = (T_H - T_W)/(T_H - T_C)。
• 针对复合角为0°、30°、45°和60°，以及L/D比为1、2、3和4的工况进行模拟，孔径为6 mm。
• 吹风比固定为0.5，所有工况下高温流体的温度和速度保持恒定。
• 计算表面整体冷却性能的横向平均效果（η_avg）以进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 增大复合角如何影响膜冷却的横向展布和冷却效果？
• RQ2 L/D比对冷却剂膜在下游的分布特性与持久性有何影响？
• RQ3 复合角与L/D比如何相互作用，进而影响冷热流体之间的混合？
• RQ4 哪种复合角与L/D比的组合可获得最高的平均膜冷却效果？
• RQ5 更高的L/D比是否总能提升冷却性能，尤其是在大复合角条件下？

主要发现

• 在所有测试配置中，45°复合角配合L/D = 4时获得最高的横向平均膜冷却效果。
• 在L/D = 1时，复合角从0°增至60°可提升冷却效果，原因在于横向展布增强且涡流形成减少。
• 在L/D = 2时，高复合角导致冷却效果显著下降，原因在于冷却剂展布加剧且更早与主流发生混合。
• 在L/D = 3时，60°复合角在短距离下游（X/D < 5）表现出更优性能，但下游性能进一步下降。
• L/D = 4时，除60°复合角外，所有复合角均表现出持续较高的冷却效果，而60°复合角因过度混合导致性能急剧下降。
• 30°和45°复合角在所有L/D比下均表现出稳定且高效的冷却效果，其中45°在峰值和平均效果上均优于其他配置。