The 3-dimensional flow field has been investigated by numerical analysis in a 2.5MW wind turbine blade. Complicated and separated flaw phenomena in the wind turbine blade were captured by the Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) steady flaw simulation using general-purpose code, CFX and the mechanism of vortex structure behavior is elucidated. The vortical flow field in a wind turbine rotor is dominated by the tip vortex and hub separation vortex. The tip vortex starts to be formed near the blade tip leading edge. As the tip vortex develops in the tangential direction, interacting with boundary layer from the blade tip trailing edge. The hub separation vortex is generated near the blade hub leading edge and develops nearly in the span-wise direction. Furthermore, 3-dimensional blade tip shape has been designed for increasing shrift power and reducing thrust force on the wind turbine blade. It is expected that the behavior of the tip vortex and hub separation vortex plays a major role in aerodynamic and aeroacoustic characteristics.
The characteristics of tip vortex within a blade tip region were examined experimentally in various flow coefficients by the way of changing tip clearance and blade stagger angle in an axial Low Speed Research Compressor(LSRC). The objective was to identify the unsteady pressure distribution in the blade passage by ensemble average technique acquired from high-frequency response pressure transducers and the tip vortex by root mean square value(RMS value). Data were reduced statistically using phase-lock technique for detailed pressure distributions.
Flow fields in a half ducted propeller fan have been investigated by three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulations and a vortex core identification technique. The simulation at the design operating condition shows that the tip vortex onset point is located at 30 percent tip chord of the suction surface on the blade tip. There is no interaction between the tip vortex and the adjacent blade, so that the tip vortex smoothly convects to the rotor exit. However, the high vorticity in the tip vortex causes the wake and the tip leakage flow to be twined around the tip vortex and to interact with the pressure surface of the adjacent blade. This flow behavior corresponds well with experimental results by Laser Doppler Velocimetry. On the contrary, the simulation at the low-flowrate operating condition shows that the tip vortex onset point is located at the 60 percent tip chord of the suction surface. In contrast to the design operating condition, the tip vortex grows almost tangential direction, and impinges directly on the pressure surface of the adjacent blade.
A numerical analysis has been conducted in order to simulate the characteristics of complex flow through linear cascades of high performance turbine blade with/without tip clearance by using a pressure-correction based, generalized 3D incompressible Wavier-Stokes CFD code. The development and generation of horseshoe vortex, passage vortex, leakage vortex, tip vortex within tip clearance, etc. are clearly identified through the present simulation which uses the RNG k-$\varepsilon$ turbulent model with wall function method and a second-order linear upwind scheme for convective terms. The present simulation results are consistent with the generally known tendency that occurs in the blade passage and tip clearance. A 3D model for secondary and leakage flows through turbine cascades with/without tip clearance is also suggested from the present simulation results, including the effects of tip clearance height.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제4권3호
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pp.307-316
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2011
In order to clarify the features of tip leakage vortex near blade tip region in a half-ducted axial fan with large bellmouth, the experimental investigation was carried out using a 2-dimensional LDV system. Three sizes of tip clearance (TC) were tested: those sizes were 1mm (0.55% of blade chord length at blade tip), 2mm (1.11% of blade chord length at blade tip) and 4mm (2.22% of blade chord length at blade tip), and those were shown as TC=1mm, TC=2mm and TC=4mm, respectively. Fan characteristic tests and the velocity field measurements were done for each TC. Pressure - flow-rate characteristics and two-dimensional velocity vector maps were shown. The vortex trace and the vortex intensity distribution were also illustrated. As a result, a large difference on the pressure - flow-rate characteristics did not exist for three tip clearance sizes. In case of TC=4mm, the tip leakage vortex was outflow to downstream of rotor was not confirmed at the small and reference flow-rate conditions. Only at the large flow-rate condition, its outflow to downstream of rotor existed. In case of TC=2mm, overall vortex behaviors were almost the same ones in case of TC=4mm. However, the vortex trace inclined toward more tangential direction. In case of TC=1mm, the clear vortex was not observed for all flow-rate conditions.
The experiment using three-dimensional laser Dopperr velocimetery (LDV) measurements and the computation using the Reynolds stress model of the commercial code, FLUENT, were conducted to give a clear understanding on the structure of tip leakage flow in a forward-swept axial-flow fan operating at the maximum efficiency condition. The tip leakage vortex was generated near the position of the minimum wall static pressure, which was located at approximately 12% chord downstream from the leading edge of blade suction side, and developed along the centerline of the pressure trough within the blade passages. A reverse flow between the blade tip region and the casing, induced by tip leakage vortex, acted as a blockage on the through-flow. As a result, high momentum flux was observed below the tip leakage vortex. As the tip leakage vortex proceeded to the aft part of the blade passage, the strength of tip leakage vortex decreased due to the strong interaction with the through-flow and casing boundary layer, and the diffusion of tip leakage vortex caused by high turbulence. In comparison with LDV measurement data, the computed results predicted the complex viscous flow patterns inside the tip region, including the locus of tip leakage vortex center, in a reliable level.
A computational analysis using Reynolds stress model in FLUENT is conducted to give a clear understanding of the effect of blade loading on the structure of tip leakage flow in a forward-swept axial-flow fan at design condition ($\phi$=0.25) and off-design condition ($\phi$=0.21 and 0.30). The roll-up of tip leakage flow starts near the minimum static wall pressure position, and the tip leakage vortex developes along the centerline of the pressure trough within the blade passages. Near tip region, a reverse flow induced by tip leakage vortex has a blockage effect on the through-flow. As a result, high momentum region is observed below the tip leakage vortex. As the blade loading increases, the reverse flow region is more inclined toward circumferential direction and the onset position of the rolling-up of tip leakage flow moves upstream. Because the casing boundary layer becomes thicker, and the mixing between the through-flow and the leakage jet with the different flow direction is enforced, the streamwise vorticity decays more fast with blade loading increasing. The computational results show that a distinct tip leakage vortex is observed downstream of the blade trailing edge at $\phi$=0.30, but it is not observed at $\phi$=0.21 and 0.25.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제10권2호
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pp.106-116
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2009
In order to investigate change of vortex structures and its evolving proceses, two dimensional LDV system was used for measurement of velocity vectors of tip vortex, and PIV system was also used for visualizations of tip vortex array for two bladed rotor, respectively. Experiments provided vortex locations, tangential and axial velocity components of tip vortex at six wake ages of 9.5, 10.5, 60.5, 99.5, 129.5, 169.5 and corresponded six wake ages shifted with 180 degrees per each. It was resulted that tip vortices generated by the first blade satisfy Landgrebe's model for their vortex locations even after they were accelerated by the second blade in downstream. Tangential velocity components of tip vortices follow Vatistas' n=2 model on both inside and outside regions of rotor slipstream without loss of vortex circulation. Axial velocity profiles revealed that there were small but significant perturbations just outside the primary vortex core which implies the second blade affects the wake substantially. It was also found that tip paths of each blade were not willing to be coincided intrinsically.
The evolutionary structure of tip vortices has been investigated with a two-dimensional LDV system for a plain and a slotted blade, respectively. To analyze the effect of slots which bypasses a part of main stream into the tip face, velocity profiles, vortex sizes, their displacements and turbulence intensities during one revolution of the rotor were measured by the phase averaging process. For the comparison of circumferential velocity components of the plain blade and the slotted blade, the peak values of the slotted blade were lower than those of the plain blade, and axial velocity components of the slotted blade were considerably larger than those of the plain blade. The slotted rotor blade enlarged the core size and made the vortex delayed compared with those of the plain blade at the same wake ages. Turbulence profiles had peaks inside the core radii and decayed gradually in the radial direction of vortex coordinate. Also, using a quasi 3-D LDV measurement technique the budget of turbulence kinetic energy was analyzed in radial direction of the vortex core.
In order to control the tip vortex cavitation occurring around the tip of a rotating propeller blade, researches on the propeller cavitation and blade tip vortex flows have been increased. In this paper, the propeller tip vortex flow for a blunt and sharp tips was studied using an unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations solver based on a cell-centered finite volume method. In numerical open water test, torques, thrusts, pressure distributions and vortex flows were compared for various rotating speeds. To consider a hull wake, the nominal wake was specified in inlet boundary condition. Pressure distributions and vortex flows with the hull wake were investigated for various propeller rotating angles. From the results, it was confirmed that the blunt tip propeller delayed the tip vortex flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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