The internal cooling passage of a gas turbine blade can be modeled as a ribbed channel. Most studies have considered square ribs. However, the ribs can be rounded due to improper manufacturing or wear during the operation. Hence, we have studied two different rib geometries in this study, i.e. square and semicircle ribs. We have performed large eddy simulations (LES) and experiments to validate the results from the simulations. LES predicts the detailed flow and thermal features, which have not been captured by simulations using turbulence models. By investigating the instantaneous flow and thermal fields, we propose the mechanisms for the local heat transfer distribution between ribs. For both the geometries, heat transfer is enhanced by the entrainment of the cold fluid by the vortical motions and impingement of the entrained cold fluid on the ribs.
Numerical simulations are conducted to analyze conjugate heat transfer characteristics in a ribbed channel. In this simulation, the effects of Reynolds number and heat capacity of the solid channel wall on convective heat transfer are observed in the turbulent flow regime. In the case of the conducting wall against isothermal wall, the relative ratio of the thermal resistance between the solid wall and the flow field varies with Reynolds number. Thus the characteristics of the conjugate heat transfer are changed with the Reynolds number. Heat capacity ratio affects the temperature fluctuation inside solid wall. The temperature fluctuation inside the solid wall decreases with increasing the heat capacity of the solid wall so that the convective heat transfer increases. When the thermal conductivity ratio is smaller than 10, the effects of flow characteristics on heat transfer are changed.
A gas turbine blade has an internal cooling passage equipped with ribs, which can be modeled as a ribbed channel. We have studied a flow inside a ribbed channel using large eddy simulaton (LES) with a dynamic subgrid-scale model. The simulation results are compared with the experimental ones. The turbulence intensity and local heat transfer near the rib have not been well captured by the conventional Reynolds averaged Navier-Stokes simulation (RANS). However, these variables obtained by the present LES agree well with those from experiments. From the instantaneous velocity and temperature fields, we explain the mechanisms responsible for the local peaks in the heat transfer distribution along the channel wall. We have also investigated the effect of rotation on the flow and heat transfer in the ribbed channel.
터빈 블레이드의 내부냉각 설계 강화를 위해 설치된 경사요철과 가이드 베인에 대한 연구를 진행하였다. 채널의 입구로 들어오는 공기와 요철이 만나는 각도를 기준으로, 서로 상반된 두 가지 요철배열을 전연면과 후연면에 평행하게 배치하였다. 채널의 종횡비(AR)는 5:1이고, 요철의 각도는 $60^{\circ}$, 요철의 높이와 요철간 간격 비($e/D_h$)는 0.075이다. 레이놀즈 수는 10,000으로 고정하였다. 요철배열에 따른 2차 유동과 딘 와류의 상호작용이 곡관부와 전체 채널의 열전달 결과와 유동특성에 어떠한 영향을 미치는지 확인할 수 있었다. 결론적으로 첫 번째 유로의 요철배열이 팁 면의 열전달 분포에 지배적인 요인이며, 곡관부에서 유동의 분포에도 영향을 미쳤다. 또한 U자 형상 가이드 베인을 사용하였을 때 모든 요철에서 팁 면의 열전달 값이 상승하였으며, 특히 공기와 요철의 충돌각도가 양의각도일 때 가장 높은 냉각성능계수를 보였다.
The present study investigated the effects of channel rotation and bleed flow on heat/mass transfer in a $90^{\circ}$ ribbed square channel. The bleed holes were located between the rib turbulators on the leading surface and those on the trailing surface case by case. The tests were conducted under the conditions of various bleeding ratios (0.0, 0.2, 0.4) and rotation numbers (0.0, 0.2, 0.4) at Re=10,000. The results suggested that heat/mass transfer characteristics were influenced by the Coriolis force, bleed flow and bleed hole location. The heat/mass transfer on the surface with bleed flow was more increased than that without bleed flow but that on the opposition surface was decreased. Those were due to the effects of the tripping flow and the diminution of main flow rate respectively. The results also showed that the heat/mass transfer characteristics were different according to bleed hole location and channel rotation.
The present study investigates the effects of bleed flow on heat/mass transfer and pressure drop in a rotating channel with transverse rib turbulators. The hydraulic diameter ($D_h$) of the square channel is 40.0 mm. The bleed holes are located between the rib turburators on leading surface and the hole diameter (d) is 4.5 mm. The square rib turbulators are installed on both leading and trailing surfaces. The rib-to-rib pitch is 10.0 times of the rib height (e) and the rib height-to-hydraulic diameter ratio ($e/D_h$) is 0.055. The tests were conducted at various rotation numbers (0, 0.2, 0.4), while the Reynolds number and the rate of bleed flow to main flow were fixed at 10,000 and 10%, respectively. The results suggest that the heat/mass transfer characteristics in the internal cooling passage are influenced by rib turbulators, bleed flow and the Cariolis force induced by rotation. For the rotating ribbed passage with bleed flow, the heat/mass transfer on the leading surface is hardly affected by bleed flow, but that on the trailing surface decreases due to the diminution of main flow. The results also show that the friction factor decreases with the bleed flow.
The present study investigates the effects of bleed flow on heat/mass transfer and pressure drop in a rotating channel with transverse rib turbulators. The hydraulic diameter $(D_h)$ of the square channel is 40.0mm. The bleed holes are located between the rib turbulators on leading surface and the hole diameter (d) is 4.5 mm. The square rib turbulators are installed on both leading and trailing surfaces. The rib-to-rib pitch is 10.0 times of the rib height(e) and the rib height-to-hydraulic diameter ratio $(e/D_h)$ is 0.055. The tests were conducted at various rotation numbers (0, 0.2, 0.4), while the Reynolds number and the rate of bleed flow to main flow (BR) were fixed at 10,000 and $10\%$, respectively. The results suggest that the heat/mass transfer characteristics in the internal cooling passage are influenced by rib turbulators, bleed flow and the Coriolis force induced by rotation. For the rotating ribbed passage with bleed flow, the heat/mass transfer on the leading surface is hardly affected by bleed flow, but that on the trailing surface decreases due to the diminution of main flow. The results also show that the friction factor decreases with the bleed flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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