Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.16
no.10
s.115
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pp.1082-1089
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2006
In this study, advanced computational analysis system has been developed in order to investigate flow-induced vibration(FIV) phenomenon for general stator-rotor cascade configurations. Relative movement of the rotor with respect to stator is reflected by modeling Independent two computational domains. Fluid domains are modeled using the unstructured grid system with dynamic moving and local deforming methods. Unsteady, Reynolds-averaged Wavier-stokes equations with one equation Spalart-Allmaras and two-equation SST ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulence models are solved for unsteady flow problems and also relative moving and vibration effects of the rotor cascade are fully considered. A coupled implicit time marching scheme based on the Newmark integration method is used for computing the governing equations of fluid-structure interaction problems. Detailed vibration responses for different flow conditions are presented and then vibration characteristics are physically investigated in the time domain as computational virtual tests.
Effects of combustor-level high free-stream turbulence on the blade-surface heat/mass transfer have been investigated in the three-dimensional flow region near the endwall within a high-turning turbine rotor cascade passage. Free-stream turbulence intensity and integral length scale in the high turbulence case are 14.7 percents and 80 mm, respectively. The result shows that there is no considerable discrepancy in the blade heat/mass transfer near the endwall between the low and high turbulence cases. As departing from the endwall, however, the deviation between the two cases becomes larger, particularly in the region where flow separation and re-attachment occur. Under the high turbulence, flow disturbances such as boundary-layer separation and re-attachment seem to be suppressed, which makes the blade heat/mass transfer more uniform. Moreover, there are some evidences that endwall vortices tend to be weakened under the high turbulence.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.6
no.3
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pp.29-36
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2002
A numerical analysis based on two-dimensional and three-dimensional incompressible Wavier-Stokes equations has been carried out for double-circular-arc compressor cascades and the results are compared with available experimental data at various incidence angles. The 2-D and 3-D computational codes based on SIMPLE algorithm adopt pressure weighted interpolation method for non-staggered grid and hybrid scheme for the convective terms. Turbulence modeling is very important for prediction of cascade flows, which are extremely complex with separation and reattachment by adverse pressure gradient. Considering computation times, $\kappa$-$\varepsilon$ turbulence model with wall function is used.
Endwall losses contribute significantly to the overall losses in modern turbomachinery, especially when aerodynamic airfoil load and pressure ratio are increased. Hence, reducing the extend and intensity of the secondary flow structures helps to enhance overall efficiency. From the large range of viable approaches, a promising combination positioning and height of endwall contouring was chosen. The objective of this study is to document the three-dimensional flow in a turbine cascade in terms of streamwise vorticity, total pressure loss distribution and static pressure distribution on the endwall and blade surface and to propose an appropriate positioning and height of the endwall contouring which show best secondary, overall loss reduction among the simulated endwall. The flow through the gas turbine were numerically analyzed using three dimensional Navier-Stroke equations with a commercial CFD code ANSYS CFX-10. The result shows that the overall loss is reduced near the flat endwall rather than contoured endwall, and the case of contoured endwall installed at 30% from leading edge with height of 25% for span showed best performance.
The output power of turbine is greatly affected by the losses generated within the passage. In order to develop a better turbine or loss models, an experimental study was conducted using a linear cascade experimental apparatus. The total pressure loss and flow structures were measured at two cross-sectional planes located downstream of blade row. Measurement was conducted in a steady state for the several different locations of the blade row along the rotational direction. The blade row moved by 20 % of the pitch, and tip clearance was varied from 2% to 8%. Axial-type blades were used and its blade chord was 200mm. A square nozzle was applied and its size was $200mm{\times}200mm$. The experiment was conducted at a Reynolds number of $3{\times}10^5$ based on the chord. Nozzle flow angle sets to $65^{\circ}$ based on the axial direction and the solidity of blade row was 1.38. From the experimental results, the total pressure loss was greatly varied in the receding region than in the entering region. The flow properties within the blade passage were strongly changed according to the location of blade row.
The effect of channel cutback on three-dimensional flow fields and aerodynamic losses downstream of a cavity squealer tip has been investigated in a turbine rotor cascade for the squealer rim height-to-chord ratio and tip gap height-to-chord ratio of $h_{st}/c$ = 5.51% and h/c = 2.0% respectively. The cutback length-to-camber ratio is changed to be $CB/c_c$ = 0.0, 0.1, 0.2 and 0.3. The results show that longer cutback delivers not only stronger secondary flow but also higher aerodynamic loss in the tip leakage vortex region, meanwhile it leads to lower aerodynamic loss in the passage vortex region. The discharge of cavity fluid through the cutback opening provides a beneficial effect in the reduction of aerodynamic loss, whereas there also exists a side effect of aerodynamic loss increase due to local wider tip gap near the trailing edge. With increasing $CB/c_c$ from 0.0 to 0.3, the aerodynamic loss coefficient mass-averaged all over the measurement plane tends to increase slightly.
The effect of tip clearance height on the three-dimensional flow and aerodynamic loss in the wake region of a high-turning turbine rotor cascade has been investigated with a miniature cone-type five-hole probe. Distributions of velocity magnitude, secondary velocity vectors, and total-pressure loss coefficient are presented for three tip gap-to-span ratios of h/s = 0.0, 0.5 and 1.0 percent. The result shows that with the increment of h/s, tip leakage vortex tends to be intensified and aerodynamic loss due to the leakage vortex is increased as well. In the case of h/s = 1.0 percent, aerodynamic loss in the tip-leakage flow region is found dominant in comparison with that in the passage vortex region. With increasing h/s, mass-averaged secondary loss coefficient has a greater portion in the mass-averaged total-pressure loss coefficient.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.03a
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pp.143-149
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2008
A numerical study was performed for a vane of a compressor with a high-turning angle and meridional divergence. At first, the effect of the suction position was discussed. Then, the optimal suction position was applied to the cascades with the aspect ratio of 2.53 and 0.3, respectively, to get the knowledge of the effect of the endwall boundary layer removal on the secondary flow along the blade height. At last, using the critical principles of the three-dimensional separation, the topological structures of the flow patterns of the body surfaces and the separation configurations were discussed in detail. The results show that the largest reduction of the total loss can be achieved when the suction slot is near the suction side. The topological structure as well as the separation configuration varies due to boundary layer removal, which restrains the flow separation at the corner and delays or depresses the separation on the suction surface. Compared with the original cascade, the cascade with the endwall boundary layer removal has a higher blade loading along the most span. Furthermore the flow loss decreases and distributes uniformly along the span.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.2
no.3
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pp.248-253
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2009
This paper presents a numerical study for unsteady flows in a high-pressure steam turbine with a partial admission stage. Compressible Navier-Stokes equations are solved by the high-order high-resolution finite-difference method based on the fourth-order compact MUSCL TVD scheme, Roe's approximate Riemann solver, and the LU-SGS scheme. The SST-model is also solved for evaluating the eddy-viscosity. The unsteady two-dimensional flows through whole nozzle-rotor cascade channels considering a partial admission are numerically investigated. 108 nozzle passages with two blockages and 60 rotor passages are simultaneously calculated. The influence of the flange in the nozzle box to the lift of rotors is predicted. Also the efficiency of the partial admission stage changing the number of blockages and the number of nozzles is parametrically predicted.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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