The present study has been conducted to investigate the effect of discrete ribs and rotation on heat/mass transfer characteristics in a two-pass square duct with $90^{\circ}-rib$ turbulators. The rib turbulator has a square cross section of 1.5 mm. The rib height-to-hydraulic diameter ratio $({e/D_{h})$ is 0.056, and the rib pitch-to-rib height ratio (p/e) is 10. The gap width is the same as the rib height. The rotation number ranges from 0.0 to 0.2 while Reynolds number is fixed to 10,000. In a stationary duct, the heat/mass transfer on the surfaces with discrete ribs is enhanced because the gap flow promotes local turbulence and flow mixing near the ribbed surface. In a rotating duct, the gap flow affects differently the heat/mass transfer on leading and trailing surfaces with discrete ribs. On the leading surface of the first pass, heat/mass transfer is increased due to the gap flow. On the trailing surface of the first pass, however, heat/mass transfer is decreased because the gap flow disturbs reattachment of main flow. The phenomenon, that is, the difference of heat transfer between the leading and the trailing surfaces is distinctly presented by rotation.
The present study investigates heat/mass transfer around film cooling jets and circular cylinders to compare the characteristics of each other. Experiments are conducted to obtain the detailed heat/mass transfer coefficients of flat plate with injections through an array of holes and for flows around an array of protruding circular cylinders using the naphthalene sublimation technique. The inclination angles of cylinders are set to the same ones of jets; a, the angle between the jet and the surface is fixed at 30 deg. through the whole experiments and .betha., the angle between the projection of the jet on the surface and the direction of main stream is adjusted to 0 deg., 45 deg. and 90 deg. to investigate the effect of variation of injection angles. The influence of blowing rates of jets and those of cylinder length to diameter ratios are also investigated. The results indicate that the increase of angle .betha. influences the spanwise uniformity of heat/mass transfer remarkably for both jets and cylinders, but that variation of cylinder length to diameter ratios has weaker effects on heat/mass transfer coefficients than that of blowing rates.
The present study investigates the effects of various rib arrangements and rotating on heat/mass transfer in the cooling passage of gas turbine blades. The cooling passage has very complex flow structure, because of the rib turbulator and rotating effect. Experiments and numerical calculation are conducted to investigate the complex flow structures and heat transfer characteristics; the numerical computation is performed using a commercial code, FLUENT ver.5, to calculate the flow structures and the experiments are conducted to measure heat/mass transfer coefficients using a naphthalene sublimation technique. For the rotating duct tests, the test duct, which is the cross section of is $20mm\times40mm$ (the hydraulic diameter, $D_h$, of 26.7 mm, has two-pass with $180^{\circ}$ turning and the rectangular ribs on the wall. The rib angle of attack is $70^{\circ}$ and the maximum radius of rotation is $21.63D_h$. The partition wall has 10 mm thickness, which is 0.5 times to the channel width, and the distance between the tip of the partition wall and the outer wall of the turning region is 26.7 mm $(1D_h)$. The turning effect of duct flow makes the very complex flow structure including Dean type vortex and high turbulence, so that the heat/mass transfer increases in the turning region and at the entrance of the second pass. The Coriolis effect deflects the flow to the trailing surface, resulting in enhancement of the heat/mass transfer on the trailing surface and reduction on the leading surface in the first pass. However, the opposite phenomena are observed in the second pass. The each rib arrangement makes different secondary flow patterns. The complex heat/mass transfer characteristics are observed by the combined effects of the rib arrangements, duct rotation and flow turning.
The present study investigates the effects of various rib arrangements on heat/mass transfer in the cooling passage of gas turbine blades. A complex flow structure occurs in the cooling passage with rib turbulators which promote heat transfer on the wall. It is important to increase not only the heat transfer rates but also the uniformity of heat transfer in the cooling passage. A numerical computation is performed using a commercial code to calculate the flow structures and experiments are conducted to measure heat/mass transfer coefficients using a naphthalene sublimation technique. A square channel (50 mm $\times$ 50 mm) with rectangular ribs (4 mm $\times$ 5 mm) is used fur the stationary duct test. The experiments focus on the effects of rib arrangements and gap positions in the discrete ribs on the heat/mass transfer on the duct wall. The rib angle of attack is 60°and the rib-to-rib pitch is 32 mm, that is 8 times of the rib height. With the inclined rib angle of attack (60°), the parallel rib arrangements make a pair of counter rotating secondary flows in the cross section, but the cross rib arrangements make a single large secondary flow including a small secondary vortex. These secondary flow patterns affect significantly the heat/mass transfer on the ribbed wall. The heat/mass transfer in the parallel arrangements is 1.5 ∼2 times higher than that in the cross arrangements. However, the shifted rib arrangements change little the heat/mass transfer from the inline rib arrangements. The gap position in the discrete rib affects significantly the heat/mass transfer because a strong flow acceleration occurs locally through the gap.
An experimental investigation was conducted to investigate the heat/mass transfer for impingement/effusion cooling system with inclined jet. Jets with inclined angle of 60 are applied to impingement/effusion cooling. At the jet Reynolds number of 10,000, the experiments were carried out for blowing ratios ranging from 0.0 to 1.5. The local heat/mass transfer coefficients on the effusion plate are measured using a naphthalene sublimation method. The result indicates that the inclined jet causes the non-uniform and low heat/mass transfer compared to the vertical jet. At stagnation region, the peak position is shifted from the geometrical center of injection hole due to Coanda effect and its level is higher than that of vertical jet due to increase in turbulence intensity by steep velocity gradient near the stagnation region. Further, the secondary peak region disappears because the interaction between adjacent wall jets weakens. When the initial crossflow occurs, the distorted heat/mass transfer pattern appears. As the blowing ratio (crossflow rate) increases, the heat/mass transfer distributions become similar to those of the vertical jet. This is because the effect of crossflow is dominant compared to that of inclined jet under high blowing ratio $(M{\geq}1.0)$. At low blowing ratio $(M{\leq}0.5)$, averaged Sh value is 10% lower than that of vertical jet, whereas its value at high blowing ratio $(M{\geq}1.0)$ is similar to that of vertical jet.
The present study has been performed to investigate the influences of rectangular fins on heat transfer in an impingement/effusion cooling system with crossflow. To simulate the impingement/effusion cooling system with initial crossflow, two perforated plates are placed in parallel and staggered arrangements with a gap distance of 2 times of the hole diameter. The crossflow passes between the plates, and various rectangular fins are installed on the plates. Reynolds number based on the hole diameter is fixed to 10,000 and the flow rate of crossflow is changed from 0.5 to 1.5 times of that of the impinging jet. A naphthalene sublimation method is used to obtain the heat/mass transfer coefficients on the effusion plate. Also to analyze the flow characteristics, a numerical calculation is performed. When rectangular fins are installed, the flow and heat transfer pattern is changed greatly from the case without fins. In the injection hole region, the jet impinges on effusion plate without deflection and wall jet spreads symmetrically. In the effusion region, the crossflow accelerates due to the decrease of cross-sectional area in the channel. Local heat/mass transfer coefficients are enhanced significantly compared to the case without fins. As the blowing ratio increases, the effect of rectangular fins against the crossflow becomes more significant and then the higher average heat/mass transfer coefficients are obtained than the case without fins. However, the increase of blockage effect gives more pressure loss in the channel.
The present study investigated the effect of relative position of the blade on blade surface heat transfer. The experiments were conducted in a low speed wind tunnel with a stationary annular turbine cascade. The test section has a single turbine stage composed of sixteen guide vanes and blades. The chord length of the blade is 150 mm and the mean tip clearance of the blade is $2.5\%$ of the blade chord. The Reynolds number based on blade inlet velocity and chord length is $1.5{\times}105$ and mean turbulence intensity is about $3\%$. To investigate the effect of relative position of blade, the blade at six different positions in a pitch was examined. For the detailed mass transfer measurements, a naphthalene sublimation technique was used. In general, complex heat transfer characteristics are observed on the blade surface due to various flow characteristics, such as a laminar flow separation, relaminarization, flow acceleration, transition to turbulence and tip leakage vortices. The results show that the blade relative position affects those heat transfer characteristics because the distributions of incoming flow velocity and turbulence intensity are changed. Especially, the heat transfer pattern on the near-tip region is significantly affected by the relative position of the blade because the effect of tip leakage vortex is strongly dependent on the blade position. On the pressure side, the effect of blade position is not so significant as on the suction side surface although the position and the size of the separation bubble are changed.
Local heat/mass transfer and friction loss in a square duct roughened with various types of continuous and discrete rib turbulators are investigated. The combined effects of the gap flows of the discrete ribs and the secondary flows are examined for the purpose of the reduction of thermally weak regions and the promotion of the uniformity of heat/mass transfer distributions as well as the ;augmentation of average heat/mass transfer. The rib-to-rib pitch to the rib height ratio (p/e) of 8 and the rib angles of 90° and 60° are selected with e/D$\_$h/=0.08. The vortical structure of the secondary flows induced by the parallel angled arrays are quite distinct from that induced by the cross angled arrays. This distinction influences on heat/mass transfer and friction loss in all the tested cases. The gap flows of the discrete ribs reduce the strength of the secondary flows but promote local turbulence and flow mixing. Consequently, the angled discrete ribs with the small gaps provide a more uniform heat/mass transfer distribution sustaining high average heat/mass transfer.
Impingement/effusion cooling technique is used for combustor liner or turbine parts cooling in gas turbine engine. In the impingement/effusion cooling system, the crossflow generated in the cooling channel induces an adverse effect on the cooling performance, which consequently affects the durability of the cooling system. In the present study, to reduce the adverse effect of the crossflow and improve the cooling performance, circular pin fins are installed in impingement/effusion cooling system and the heat transfer characteristics are investigated. The pin fins are installed between two perforated plates and the crossflow passes between these two plates. A blowing ratio is changed from 0.5 to 1.5 for the fixed jet Reynolds number of 10,000 and five circular pin fin arrangements are considered in this study. The local heat/mass transfer coefficients on the effusion plate are measured using a naphthalene sublimation method. The results show that local distributions of heat/mass transfer coefficient are changed due to the installation of pin fins. Due to the generation of vortex and wake by the pin fin, locally low heat/mass transfer regions are reduced. Moreover, the pin fin prevents the wall jet from being swept away, resulting in the increase of heat/mass transfer. When the pin fin is installed in front of the impinging let, the blockage effect on the crossflow enhances the heat/mass transfer. However, the pin fin installed just behind the impinging jet blocks up the wall jet, decreasing the heat/mass transfer. As the blowing ratio increases, the pin fins lead to the higher Sh value compared to the case without pin fins, inducing $16\%{\~}22\%$ enhancement of overall Sh value at high blowing ratio of M=1.5.
In this study, the effect of relative position of the blade for the fixed vane has been investigated on blade surface heat transfer. The experiments were conducted in a low speed stationary annular cascade, and heat transfer of blade was examined for six positions within a pitch. Turbine test section has one stage composed of sixteen guide vanes and blades. The chord length of the tested blade is 150 mm and the mean tip clearance of the blade having flat tip is about $2.5\%$ of the blade chord. For the detailed mass transfer measurements on the blade surfaces, a naphthalene sublimation technique was used. The inlet flow Reynolds number is fixed to $1.5{\times}10^5$. Complex heat transfer characteristics are observed on the blade surface due to various flow characteristics, such as separation bubble, relaminarization, transition to turbulence and leakage vortices. The distributions of velocity and turbulence intensity change significantly with the relative position due to the blockage effect of the blade. This causes the variation of heat transfer patterns on the blade surface. The results show that the flow near the leading edge get highly disturbed and deflected toward the either side of the blade when the blade leading edge is positioned close to the trailing edge of the vane. Therefore, separation bubble disappears on the pressure side and overall heat transfer on the relaminarization region is increased. But, due to reduced tip gap flow at the upstream region, the effect of leakage flow on the upstream region of the blade surface is weakened. Thus, the heat transfer characteristics significantly change with the blade positions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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