بررسی اثرات نسبت چگالی بر رفتار جت تزریق شده در داخل جریان آشفته‌ی داغ با استفاده از مدل‌های آشفتگی مختلف

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا / دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف

2 عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف

3 عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه هوایی شهید ستاری

4 کارشناس ارشد / دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

در این تحقیق، اثرات اختلاف چگالی بین جریان عرضی داغ و جت خنک‌کننده بر سطح آشفتگی جریان و اثربخشی خنک‌کاری لایه‌ای، در نسبت سرعت‌های مختلف، مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این منظور، یک برنامه رایانه‌ای توسعه داده شده که با استفاده از روش حجم‌محدود و الگوریتم سیمپل به شبیه‌سازی جریان روی یک شبکه چند بلوکی، غیر یکنواخت و جابجا شده می‌پردازد. از سه مدل آشفتگی  استاندارد، انتقال تنش برشی و  استفاده شده است. شبیه‌سازی‌ها برای سه نسبت چگالی 5/0، 1 و 2، در سه نسبت سرعت 5/0، 1 و 2 انجام شده است. نسبت دمای بین جت و جریان عرضی و عدد رینولدز جت نیز، به‌ترتیب برابر با 5/0 و 4700 در نظر گرفته شده است. مقایسه‌ی نتایج به‌دست آمده نشان از تاثیرات چشمگیر نسبت چگالی بر انرژی جنبشی آشفتگی بخصوص در نواحی نزدیک به دیواره دارد. بنابراین، ضریب انتقال حرارت جابجایی می‌تواند تا حدود زیادی توسط نسبت چگالی تحت تاثیر قرار بگیرد. همچنین، نسبت چگالی بین جت و جریان عرضی، تاثیرات چشمگیری بر میزان نفوذ و گسترش جت در جریان عرضی، در هر سه جهت محوری، عمودی و جانبی دارد. علاوه بر این، در نسبت سرعت پایین (5/0)، افزایش نسبت چگالی موجب کاهش اثربخشی میانگین‌گیری شده در جهت جانبی می‌شود. در‌حالی‌که در نسبت سرعت بالاتر (0/2)، با افزایش نسبت چگالی، اثربخشی خنک‌کاری میانگین افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of Density Ratio Effects on Behavior of Injected Jet into a Hot Turbulent Flow, Using Different Turbulence Models

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Salimi 1
  • Mohammad Taeibi Rahni 2
  • mehdi Ramezanizadeh 3
  • roozbeh Farhadi Azar 4
چکیده [English]

In this research, effects of density differences between a hot cross flow and injected coolant fluid on the flow hydrodynamics and film cooling effectiveness at different velocity ratios were computationally investigated. A computer code was developed using finite volume method and the SIMPLE algorithm on a multi-block, non-uniform staggered grid. Three different turbulence models (standard and SST versions of and) were applied. The simulations were performed at three density ratios of 0.5, 1, and 2, and three different velocity ratios of 0.5,1, and 2. The jet into cross flow temperature ratio and the jet Reynolds number were 0.5 and 4700, respectively. Comparing the obtained results showed that the density ratio effects on the turbulent kinetic energy, especially in the near wall region, is noticeable. Therefore, the convection heat transfer coefficient can be greatly affected by the density ratio. In addition, the density ratio has significant effects on the jet into cross flow penetration in all three directions (streamwise, normal, and spanwise). Moreover, at low velocity ratio (0.5), increasing the density ratio reduces the spanwise averaged film cooling effectiveness. At higher velocity ratio (2.0), as the density ratio increases, the spanwise averaged cooling effectiveness increases.

[1] Nicholas, D.C., “Effects of Realistic First-Stage Turbine End Wall Features,” M.Sc. Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, USA, 2005.

[2] Trent, A.V., “Shaped Hole Effects on Film Cooling Effectiveness and a Comparison of Multiple Effectiveness Measurement Techniques,” M.Sc. Thesis, Texas A&M University, USA, 2004.

[3] Goldestein, R.J., Eckert, E.R.G., and Bogard, F., “Effect of Hole Geometry and Density on Three Dimensional Film Cooling,” Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 17, pp. 595-607, 1973.

[4] Jubran, B. and Brown, A., “Film Cooling from Two Rows of Holes Inclined in the Streamwise and Spanwise Directions,” ASME J. Eng. Gas Turbines Power, Vol. 107, pp. 84–91, 1985.

[5] Hass, W., Rodi, W. and Schonung, B. “The Influence of Density Difference Between Coolant Gas on Film Cooling  by a Raw of Holes: Prediction and Experiments,” Torbomachinery. J., Vol. 21, No. 2, pp.747-755, 1992.

[6] Ramezanizadeh, M., “Large Eddy Simulation of Film Cooling Using Different Subgrid Scale Models,” Ph.D. Dissertation, Sharif University of Technology, Tehran, I.R. Iran, 2007.

[7] Ramezanizadeh, M., Taeibi-Rahni, M. and Saidi, M.H., “Investigation of Density Ratio Effects on Normally Injected Cold Jet into Hot Cross Flow,” Archive of Applied Mech., pp. 835-847, 2007.

[8] Bogard, D.G. and Thole, K.A., “Gas Turbine Film Cooling” Journal of Propulsion     and Power, Vol. 22, No. 2, pp. 249-269, 2006.

[9] Jones, T.V., "Theory of the Use of Foreign gas in Simulation Film Cooling," International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 20, pp. 349-354, 1999. 

[10] Renze, P., Schroder, W., and Meinke, M., "Large-Eddy Simulation of Film Cooling Flows with Variable Density Jets," J. Computers& Fluids, Vol. 35, No. 6, pp. 587-606, 2006.

[11] Hoda, A. and Acharrya, S., “Prediction of Film Cooling Jet in Cross Flow with Different Turbulence Models,” Journal of Turbomachinery, Vol. 122, pp. 558-569, 2000.

[12] Javadi, Kh., Taeibi-Rahni, M., and Darbandi, M., “Jet-into-Crossflow Boundary-Layer Control: Innovation in Gas Turbine Cooling,” AIAA Journal, Vol. 45, No. 12, pp. 2910-2925, 2007.

[13] Ajersch, P., Zhou, J.M., Ketler, S., Salcudean, M., and Gartshore, I.S., “Multiple Jets in a Crossflow: Detailed Measurements and Numerical Simulations,” Int. Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, ASME Paper 95-GT-9, Houston, TX, pp. 1-16, 1995.

[14] Jones, R.M., “Advance Turbulence Modeling for Industrial Flow,” Ph.D. Dissertation, Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiana, 2003. 

[15] Bredberg, J., “A Note for Turbulence Models,” Chalmers University of Technology, Department of Thermo and Fluid Dynamics, Internal Report 01/7, 2000.

[16] Bredberg, J., “An Introduction to Turbulence Models,” Chalmers University of Technology, Department of Thermo and Fluid Dynamics, Internal Report 97/2, 2003.

[17] Menter, F.R., “Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications,” AIAA Journal, Vol. 32, No. 8, pp.1598-1604, 1994.

[18] Versteeg, H.K. and Malalasekera, W., “An Introduction to Computational Fluid Dynamics, the Finite Volume Method,” Longman, Malaysia, 1995.