بررسی اختلاف نسبت سرعت بین جت های مهارکننده و جت اصلی در طرح جت های ترکیبی سه گانه برای بهبود اثربخشی خنک کاری لایه ای با استفاده از رهیافت ال.ای.اس

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد / دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف

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

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

4 دانشجوی دکتری / دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

در تحقیق حاضر، به بررسی اثرات اختلاف نسبت دمش(نسبت سرعت) بین جت‌های مهارکننده‌ی کوچک و جت اصلی در طرح جت‌های سه‌گانه بر اثربخشی خنک‌کاری لایه‌ای و تحلیل هیدرودینامیک جریان پرداخته شده است. این اختلاف نسبت دمش به گونه‌ای تنظیم شده که دبی کل سیال خنک با حالت جت‌های سه‌گانه ساده یکسان باشد. جت‌های سه‌گانه به صورت عمودی وارد جریان عرضی شده و نسبت دمای جت‌های خنک کننده به جریان عرضی داغ و عدد رینولدز کل جت‌ها به ترتیب برابر 5/0 و 4700 می‌باشد. روش عددی به کار رفته بر مبنای حجم محدود استوار بوده و از الگوریتم سیمپل بر روی یک شبکه‌ی چند بلوکه و جابه‌جا شده، با‌ سازمان، و غیر یکنواخت استفاده شده است. شبیه سازی عددی برای سه نسبت سرعت جت‌های مهارکننده به جت اصلی صورت گرفته است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که وقتی نسبت سرعت مذکور بیشتر از یک باشد، اثربخشی خنک‌کاری افزایش می‌یابد ولی در حالتی که این نسبت سرعت کمتر یک است، شاهد کاهش اثربخشی خنک‌کاری هستیم. به‌دلیل پیچیدگی زیاد جریان (ناشی از اندرکنش سه جت با جریان عرضی) و وابستگی زمانی ساختارهای گردابه‌های تشکیل شده، از رهیافت شبیه سازی گردابه‌های بزرگ برای تحلیل دقیق‌تر جریان استفاده شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of Velocity Ratio Difference between the Controlling Jets and the Main Jet in the Compound Triple Jets Arrangement to Modify the Film Cooling Effectiveness, Using the LES Approach

نویسندگان [English]

  • roozbeh farhadi azar 1
  • Mehdi Ramezanizadeh 2
  • Mohammad Taeibi Rahni 3
  • Mohammad Reza Salimi 4
چکیده [English]

In this research, effects of blowing ratio (velocity ratio) difference between the controlling small jets and the main jet in the compound triple jets arrangement on the film cooling effectiveness and the flow hydrodynamics are investigated. This blowing ratio difference was selected such that the total mass flow rate of the cold flow becomes equal to that of the simple compound triple jets. The triple jets are inclined normally into the cross flow and the cooling jets to the hot cross flow temperature ratio and the jets Reynolds number are 0.5 and 4700, respectively. The numerical approach is based on the finite volume and the SIMPLE algorithm over a multi-block, staggered, structured and non-uniform grid arrangement was applied. The numerical simulations are performed for three controlling jets to main jet velocity ratios. The obtained results show that when the velocity ratio is higher than unity, the film cooling effectiveness increases, while it decreases when the velocity ratio is less than unity. Due to high complication of the flow (results from interaction of three jets with the cross flow) and time dependency of the introduced vortex structures, the large eddy simulation approach was used to investigated the flow more accurately.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Triple Jets
  • Blowing ratio
  • Large Eddy Simulation Approach
  • Smagorinsky Model

[1] Eckert, E.R.G, and Livingood, J.N.B., “Comparison of Convection, Transpiration and Film Cooling Methods with Air as Coolant," NASA Report 1182, 1954.

[2] Goldstein, 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.

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

[4] Ligrani, P.M., Bishop, D.T., and Ciriello, S., "Heat Transfer, Adiabatic Effectiveness and Injection Distributions Downstream of a Single Row and Two Staggered Rows of Compound Angle Film Cooling Holes," ASME Journal Turbomachinery, Vol. 114, pp. 687-700, 1992.

[5] Leylek, J.H., and Walters, D.K., "A Systematic Computational Methodology Applied to Three Dimensional Film Cooling Flow Field," ASME Journal of Turbomachinery , Vol. 119, pp. 777-785, 1997.

[6] Reiss, H., Bölcs, A., "Aerodynamic Loss Measurements in a Linear Cascade with Film Cooling Injection," 15th Bi-annual Symposium on Measurement Techniques in Transonic and Supersonic Flow in Cascades and Turbomachines, University of Florence, 21-22 Sept, 2000.

[7] Acharya, S., Tyagi, M., and Hoda, A., "Flow and Heat Transfer Predictions for Film Cooling," Heat Transfer in Gas Turbine Systems, Annals Of The New York Academy Of Science 934, pp. 110–125,  2001.

[8] Reddy, D.R. and Zaman, K.B.M.Q., “Computational Study of Effect of Tabs on a Jet in a Cross Flow,” Computers & Fluids, pp. 712–723, 2006.

[9] Way, S.K., and Bogard, D.G., "High Resolution Film Cooling Effectiveness Measurements of Axial Holes Embedded in a Transverse Trench with Various Trench Configurations," ASME Journal of Turbomachinery, Vol. 129, 2007.

[10] Ramezanizadeh, M., Taeibi-Rahni, M., and Saidi, M.H., “Investigation of Density Ratio Effects on Normally Injected Cold Jets into a Hot Cross Flow,” Arch. App. Mech., pp. 835-847, 2006.

[11] رمضانی زاده، مهدی، “حل عددی پدیده خنک کاری لایه ای در یک جریان آشفته به روش شبیه­سازی گردابه­های بزرگ با استفاده از مدل­های زیرشبکه­ای مختلف، “پایان­نامه­ی دکترا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران، 1386.

[12] Brandt, T.T., “Study of Large Eddy Simulation and Smagorinsky Model Using Explicit Filtering,” 36th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, 5-8 June 2006.

[13] Sagaut, P., “Large Eddy Simulation for Incompressible Flows,” Springer, pp. 15-18, 2001.

[14] 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.

[15] Ajersch, P., Zhou, J.M., Ketler, S., Salcudean, M., and Gartshore, I.S., “Multiple Jets in a Crossflow Detailed Measurements and Numerical Simulations,” ASME, 95-GT-9, pp. 1-16. 1995.

[16] فرهادی­آذر، روزبه، "شبیه­سازی خنک­کاری لایه­ای جت­های ترکیبی سه­گانه با استفاده از روش ال.ای.اس"پایان­نامه­ی کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران، 1388.