Компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения
Представлены результаты теоретического исследования эффективности пленочного охлаждения однорядных схем c подачей охладителя через отверстия в траншее, полусферические углубления, а также традиционные круглые наклонные отверстия....
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2017
|
| Назва видання: | Промышленная теплотехника |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142359 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения / А.А. Халатов, Н.А. Панченко, В.A. Макаренко, М.И. Спасенко // Промышленная теплотехника. — 2017. — Т. 39, № 3. — С. 35-39. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-142359 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1423592018-10-07T01:23:20Z Компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения Халатов, А.А. Панченко, Н.А. Макаренко, В.A. Спасенко, М.И. Тепло- и массообменные процессы Представлены результаты теоретического исследования эффективности пленочного охлаждения однорядных схем c подачей охладителя через отверстия в траншее, полусферические углубления, а также традиционные круглые наклонные отверстия. Наведено результати теоретичного дослідження ефективності плівкового охолодження однорядних схем з подачею охолоджувача через отвори в траншеї, напівсферичні поглиблення, а також через традиційні круглі похилі отвори. The results are given towards the theoretical investigation of the film cooling efficiency of single-row hole systems with the supply of a coolant through holes arranged in the trench, hemispherical dimples, as well as through traditional cylindrical inclined holes. 2017 Article Компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения / А.А. Халатов, Н.А. Панченко, В.A. Макаренко, М.И. Спасенко // Промышленная теплотехника. — 2017. — Т. 39, № 3. — С. 35-39. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.3.2017.05 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142359 536.244:621.438 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы |
| spellingShingle |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Халатов, А.А. Панченко, Н.А. Макаренко, В.A. Спасенко, М.И. Компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения Промышленная теплотехника |
| description |
Представлены результаты теоретического исследования эффективности пленочного охлаждения однорядных схем c подачей охладителя через отверстия в траншее, полусферические углубления, а также традиционные круглые наклонные отверстия. |
| format |
Article |
| author |
Халатов, А.А. Панченко, Н.А. Макаренко, В.A. Спасенко, М.И. |
| author_facet |
Халатов, А.А. Панченко, Н.А. Макаренко, В.A. Спасенко, М.И. |
| author_sort |
Халатов, А.А. |
| title |
Компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения |
| title_short |
Компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения |
| title_full |
Компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения |
| title_fullStr |
Компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения |
| title_full_unstemmed |
Компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения |
| title_sort |
компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2017 |
| topic_facet |
Тепло- и массообменные процессы |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142359 |
| citation_txt |
Компьютерное моделирование двух перспективных однорядных схем пленочного охлаждения / А.А. Халатов, Н.А. Панченко, В.A. Макаренко, М.И. Спасенко // Промышленная теплотехника. — 2017. — Т. 39, № 3. — С. 35-39. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT halatovaa kompʹûternoemodelirovaniedvuhperspektivnyhodnorâdnyhshemplenočnogoohlaždeniâ AT pančenkona kompʹûternoemodelirovaniedvuhperspektivnyhodnorâdnyhshemplenočnogoohlaždeniâ AT makarenkova kompʹûternoemodelirovaniedvuhperspektivnyhodnorâdnyhshemplenočnogoohlaždeniâ AT spasenkomi kompʹûternoemodelirovaniedvuhperspektivnyhodnorâdnyhshemplenočnogoohlaždeniâ |
| first_indexed |
2025-07-10T14:50:29Z |
| last_indexed |
2025-07-10T14:50:29Z |
| _version_ |
1837271908151721984 |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №3 35
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 536.244:621.438
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ
ОДНОРЯДНЫХ СХЕМ ПЛЕНОЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Халатов А.А.1,2, академик НАН Украины, Панченко Н.А.1,2, канд. техн. наук, Макаренко В.A.2,
Спасенко М.И.2
1Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2а, Киев, 03056, Украина
2НТУУ «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина
Представлены результаты теорети-
ческого исследования эффективности
пленочного охлаждения однорядных
схем c подачей охладителя через отвер-
стия в траншее, полусферические углу-
бления, а также традиционные круглые
наклонные отверстия.
Наведено результати теоретичного
дослідження ефективності плівкового
охолодження однорядних схем з по-
дачею охолоджувача через отвори в
траншеї, напівсферичні поглиблення,
а також через традиційні круглі похилі
отвори.
The results are given towards the
theoretical investigation of the film cooling
efficiency of single-row hole systems with
the supply of a coolant through holes
arranged in the trench, hemispherical
dimples, as well as through traditional
cylindrical inclined holes.
Библ. 7, рис.5.
Ключевые слова: пленочное охлаждение, полусферические углубления, траншея, параметр вдува, эффективность
пленочного охлаждения, компьютерное моделирование.
d – диаметр отверстия вдува;
D – диаметр полусферических углублений;
h – высота траншеи;
L – длина отверстия вдува;
m = w2 ρ2 / w1 ρ1– параметр вдува;
Т – температура;
t – поперечный шаг расположения отверстий;
w – скорость потока;
Введение
Пленочное охлаждение является основным спосо-
бом внешнего охлаждения лопаток первых ступеней вы-
сокотемпературных газовых турбин. На сегодня в мире
выполнен большой объем экспериментальных и теоре-
тических исследований в этой области, что позволило
создать многие типы энергетических установок. Однако
практика показала, что традиционная схема пленочно-
го охлаждения с подачей охладителя через наклонные
круглые отверстия характеризуется рядом недостатков,
основной из которых – возникновение «почечных» вих-
рей, что приводит к снижению эффективности пленоч-
ного охлаждения, особенно при m > 1,0. Поэтому поиск
альтернативных схем пленочного охлаждения с высокой
x, y, z – прямоугольные координаты;
α – угол наклона отверстия к поверхности охлаждения;
η = (T1 – Taw)(T1 – T2) – эффективность пленочного ох-
лаждения.
Нижние индексы:
aw – параметры на адиабатической стенке;
2 – параметры вдуваемого потока;
1 – параметры основного потока.
теплофизической эффективностью, более низким расхо-
дом охладителя и несложной технологией изготовления
сегодня представляет одну из актуальных научно-тех-
нических проблем газотурбостроения. Такие исследо-
вания проводятся в ведущих газотурбинных центрах
различных стран. Анализ опубликованных работ [1-4]
показал, что наибольший практический интерес для
газотурбостроения Украины представляет подача охла-
дителя в полусферические углубления [5] (предложена
и запатентована в ИТТФ НАНУ) и траншею. Эти кон-
фигурации рассмотрены в настоящей работе, их схемы
представлены на рис. 1 – традиционный ряд наклонных
круглых отверстий (рис. 1, а), подача охладителя в тран-
шею (рис. 1, б) и полусферические углубления (рис. 1, в).
а б в
Рис. 1. Исследованные способы плёночного охлаждения: а – традиционный ряд наклонных отверстий;
б–отверстия в траншее; в –отверстия в полусферических углублениях.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №336
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Целью настоящей работы является сравнительное
исследование эффективности пленочного охлаждения
двух однорядных схем пленочного охлаждения при
подаче охладителя через отверстия в траншее и полу-
сферических углублениях, а также через традиционные
круглые наклонные отверстия. Исследование выпол-
нено с использованием коммерческого пакета ANSYS
CFX 14.
Компьютерная модель
Исследование выполнено для идентичных геоме-
трических моделей пленочного охлаждения, отличаю-
щихся только формой поверхностных углублений, одна
из которых для схемы с подачей охладителя в траншею
(рис. 1, б) представлена на рис. 2. Она представляет
собой канал прямоугольного сечения, в который охла-
дитель подается из внешнего объема (пленума) через
отверстия, расположенные в траншее (рис. 2). Схема
расположения отверстий и их геометрические размеры
были приняты такими же, как и в экспериментальном
исследовании [6]. Детальное описание эксперимен-
тальной установки приведено в работе [6]. Геометри-
ческие параметры были приняты следующими: диа-
метр подающих цилиндрических отверстий d = 3,2 мм;
поперечный шаг t = 9,6 мм (t/d = 3,0); высота траншеи
h = 2,4 мм (h/d = 0,75), диаметр сферических углублений
D = 8 мм; (h/D = 0,5). Угол наклона отверстий к поверх-
ности α = 30º.
Граничные условия на входе и выходе были зада-
ны близкими к условиям выполненных экспериментов
[6], расположение областей задания граничных условий
представлено на рис. 2. Температура основного потока
на входе составляла 25 °С, вдуваемого – 72 °С. На входе
в канал средняя скорость основного потока задавалась
равной 37 м/с. Расчеты выполнены в диапазоне изме-
нения параметра вдува от 0,5 до 2,0. Интенсивность
турбулентности основного потока перед участком вдува
задавалась равной 1 %. На выходе из канала среднее ста-
тическое давление задавалось стандартным и равным
101300 Па. Расчеты проводились при числе Рейнольдса
Red, определенном по эквивалентному диаметру канала
и скорости основного потока, равном 1,25×105.
Использовалось неструктурированная комбиниро-
ванная расчетная сетка, у поверхности пластины, около
отверстий и вблизи стенок пленума выполнено локаль-
ное сгущение расчетной сетки размерностью в 20 ячеек.
Значение параметра y+ во всех расчетах изменялось в диа-
пазоне от 0,5 до 1,1. Для сравнения использованы данные
для традиционной схемы с одним рядом цилиндрических
наклонных отверстий. Все расчёты выполнены с исполь-
зованием комбинированной SST модели турбулентности,
представляющей собой суперпозицию k-ω модели в при-
стеночной области и k-ε модели вдали от стенки. Выбор
SST модели турбулентности связан с её способностью
достаточно точно моделировать газодинамику и теплооб-
мен сложных пристеночных течений, что было показано
ранее при выполнении тестовых расчётах с использова-
нием различных моделей турбулентности [7].
Результаты и их анализ
На рис. 3 представлены результаты расчетов сред-
ней эффективности пленочного охлаждения для ис-
следованных схем. Как следует, при малых значениях
m = 0,5 и на основном участке x/d > 20 все схемы срав-
нимы по эффективности плёночного охлаждения. Уве-
личение эффективности плёночного охлаждения при
малых значениях параметра вдува наблюдается на на-
чальном и стабилизационном участке (x/d = 0…20) для
схем с подачей охладителя в траншею. При умеренных
и высоких значениях параметра вдува (m ≥ 1,0) разли-
чие в эффективности для рассмотренных схем плёноч-
ного охлаждения становится существенным, особенно
для схем с подачей охладителя в траншею (рис. 1, б),
которая показывает наибольшую эффективность плё-
ночного охлаждения.
На рис. 4 представлены поля эффективности пле-
ночного охлаждения при m = 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0. За тради-
ционной схемой вдува (рис. 4, а) струя охладителя име-
ет вид узкой полосы за отверстиями. При вдуве через
отверстия в полусферических углублениях (рис. 4, в)
благодаря предварительному расширению струи в углу-
блении наблюдается более равномерное распределение
охладителя по поверхности. При вдуве через отверстия
в траншее (рис. 4, б) охладитель достаточно равномерно
растекается по всей ширине поверхности пластины.
На рис. 5 показаны поля температур и проекций
векторов скорости в поперечной плоскости на расстоя-
Рис. 2. Геометрическая 3D-модель плёночного охлаждения плоской поверхности при подаче охладителя
через отверстия в траншее.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №3 37
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
ниях х/d = 2; 5 и 10 при m = 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0. За рядами
цилиндрических отверстий (рис. 5, а) отчетливо вид-
ны характерные вихревые структуры в форме парного
(«почечного») вихря. При вдуве охладителя в полусфе-
рические углубления (рис. 5, б) эти вихревые структуры
имеют меньшую интенсивность. Аналогичный эффект
наблюдается и для схемы с подачей охладителя в тран-
шею (рис. 5, в), однако в этом случае снижение интен-
сивности и масштаба «почечной» вихревой структуры
выражено еще более существенное. При таком способе
организации плёночного охлаждения защитная плёнка
не отрывается от поверхности пластины, и вся поверх-
ность достаточно равномерно покрывается плёнкой ох-
ладителя.
Рис. 3 Средняя по ширине эффективность пленочного охлаждении:
1 – традиционный ряд наклонных отверстий; 2–отверстия в траншее;
3 –отверстия в полусферических углублениях.
а) б) в)
Рис. 4. Изолинии локальной эффективности пленочного охлаждения за традиционными отверстиями (а),
отверстиями в траншее (б) и отверстиями в полусферических углублениях (в) на участке 0 ≤ x/d ≤ 30.
Выводы
Выполнено сравнительное теоретическое иссле-
дование эффективности пленочного охлаждения и фи-
зической структуры потока за двумя перспективными
однорядными схемами пленочного охлаждения с пода-
чей охладителя через отверстия в траншее и отверстия в
полусферических углублениях.
Основными причинами увеличения эффективности
пленочного охлаждения за перспективными схемами
пленочного охлаждения является предварительное рас-
ширение струи охладителя, снижение интенсивности и
масштаба парной вихревой структуры и отсутствие от-
рыва струи от поверхности.
Из рассмотренных схем плёночного охлаждения
наибольшей эффективностью охлаждения обладает
схема с подачей охладителя в поперечную траншею,
поскольку вся поверхность достаточно равномерно по-
крывается пленкой охладителя и снижается негативное
влияние вторичных вихревых структур.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №338
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
ЛИТЕРАТУРА
1. Goldstein R.J., Eckert E.R.G. Effects of hole
geometry and density on three-dimensional film cooling //
Int. J. of Heat and Mass Transfer. – 1974. – V.17, №5. –
P.595–607.
2. Dittmar J., Schulz A., Wittig S. Assessment of
various film cooling configurations including shaped and
compound angle based on large scale experiments// Journal
of Turbomachinery. – 2003. – V. 125, №1. – P. 57–64.
3. Lu Y., Dhungel A., Ekkad S.V., Bunker R.S. Effect
of trench width and depth on film cooling from cylindrical
holes embedded in trenches. // Journal of Turbomachinery. –
2009. – V. 131. Paper 011003. 13 p.
4. Khalatov A.A., Borisov I.I., Panchenko N.A.,
Dashevsky Yu.J. , Kovalenko A.S. Flat plate film cooling from
a double jet holes: influence of free-stream turbulence and
flow acceleration / // Thermophysics and Aeromechanics. –
2014. – V. 21. № 5. – P. 545–552.
5. Пат. 47749 України. Спосiб плiвкового охо-
лодження та пристрiй для його здiйснення // Халатов
А.А., Варганов І.С., Коваленко Г.В.; заявитель и патен-
тообладатель Институт технической теплофизики. —
№2001096063; заявл. 03.09.01 ; опубл. 15.12.04, Бюл.№
12, 2014. – 3 с. : ил.
6. Khalatov A.A., Borisov I.I., Dashevskiy Yu.Ya.,
Kovalenko A.S., Shevtsov S.V. Flat plate film cooling from
a single-row inclined holes embedded in a trench: effect of
external turbulence and flow acceleration// Thermophysics
and Aeromechanics. – 2013. – V. 20, №. 6. – P.713-719.
7. Goldstain R.J., Jin P., Olson R.L. Film cooling
effectiveness and mass/heat transfer coefficient downstream
of one row of discrete holes// Journal of Turbomachinary. –
1999. –V. 121. – P. 225–232.
Рис. 5. Температурные поля и проекции векторов скорости на плоскость YZ:
а –традиционные отверстия; б–отверстия в траншее; в –отверстия в полусферических углублениях.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №3 39
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
COMPUTER SIMULATION OF TWO
PERSPECTIVE SINGLE-ROW HOLE SYSTEMS
OF FILM COOLING
Khalatov А.А.1,2, Panchenko N.A.1,2, Makarenko V.A.2,
Spasenko М.I.2
1Institute of Engineering Thermophysics of National
Academy of Sciences of Ukraine,
Zhelyabova str., 2а, Kyiv, 03056, Ukraine
2 National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky
Kyiv Politechnic Institute»,
pr. Pobedy, 37, Kyiv, 03056, Ukraine
The comparative theoretical investigation of two
prospective film cooling configuration was carried out at
the coolant supply through holes arranged in the trench
and hemispherical dimples. The numerical simulation was
made using ANSYS CFX 14 computer code along with SST
turbulence model, the blowing ratio was varied from 0.5 to
2.0. The data for the traditional cooling scheme with one
row of inclined cylindrical holes were used for comparison.
The results showed that at the identical blowing ratio, the
efficiency of the investigated cooling schemes is significantly
greater than the efficiency of the traditional scheme having
the same relative arrangement pitch of the holes t/d = 3.0.
The investigated schemes reduce the length of the flow
separation zone and the intensity of pair ("kidney") vortex.
The coolant supply into the trench demonstrates the greatest
average film cooling efficiency.
References 7, figures 5.
Key words: film cooling, hemispherical dimples, trench,
blowing ratio, film cooling effectiveness, numerical
simulation.
1. Goldstein R.J., Eckert E.R.G. Effects of hole
geometry and density on three-dimensional film cooling.
Int. J. of Heat and Mass Transfer. 1974. V.17, №5. P.595–
607.
2. Dittmar J., Schulz A., Wittig S. Assessment of
various film cooling configurations including shaped and
compound angle based on large scale experiments. Journal
of Turbomachinery. 2003. V. 125, №1. P. 57–64.
3. Lu Y., Dhungel A., Ekkad S.V., Bunker R.S. Effect
of trench width and depth on film cooling from cylindrical
holes embedded in trenches. Journal of Turbomachinery.
2009. V. 131. Paper 011003. 13 p.
4. Khalatov A.A., Borisov I.I., Panchenko N.A.,
Dashevsky Yu.J. , Kovalenko A.S. Flat plate film cooling
from a double jet holes: influence of free-stream turbulence
and flow acceleration. Thermophysics and Aeromechanics.
2014. V. 21. № 5. P. 545–552.
5. Khalatov, A. A., Varhanov, I. V. and Kovalenko, H. V.
Institute of engineering thermophysics/ Sposib plivkovogo
oholodzhennya ta pristriy dlya yogo zdiysnennya [Method
of film cooling and appliance for its implementation] State
Register of Patents of Ukraine, Kiev, UA, 2004. Pat. No.
47749. (Ukr.)
6. Khalatov A.A., Borisov I.I., Dashevskiy Yu.Ya.,
Kovalenko A.S., Shevtsov S.V. Flat plate film cooling from
a single-row inclined holes embedded in a trench: effect of
external turbulence and flow acceleration. Thermophysics
and Aeromechanics. 2013. V. 20, №. 6. P.713–719.
7. Goldstain R.J., Jin P., Olson R.L. Film cooling
effectiveness and mass/heat transfer coefficient downstream
of one row of discrete holes. Journal of Turbomachinary.
1999. V. 121. P. 225-232.
Получено 04.04.2017
Received 04.04.2017
|