The working fluid from the combustor to the turbine stage of a gas turbine makes various boundary layer thickness. Since the inlet boundary layer thickness is one of the important factors that affect the turbine efficiency. It is necessary to investigate secondary flow and loss with various boundary layer thickness conditions. In the present study, the effect of various inlet boundary layer thickness on secondary flow and loss and the proper height of the boundary layer fences for various boundary layer thickness were investigated. Measurements of secondary flow velocity and total pressure loss within and downstream of the passage were taken under 5 boundary layer thickness conditions, 16, 36, 52, 69, 110mm. It was found that total pressure loss and secondary flow areas were increased with increase of thickness but they were maintained almost at the same position. At the fellowing research about the boundary layer fences, 1/6, 1/3, 1/2 of each inlet boundary layer thickness and 12mm were used as the fence heights. As a result, it was observed that the proper height of the fences was generally constant since the passage vortex remained almost at the same position. Therefore once the geometry of a cascade is decided, the location of the Passage vortex and the proper fence height are appeared to be determined at the same time. When the inlet boundary layer thickness is relatively small, the loss caused by the proper fence becomes bigger than endwall loss so that it dominates secondary loss. In these cases the proper fence hight is decided not by the cascade geometry but by the inlet boundary layer thickness as previous investigations.
A three-dimensional computation was conducted to understand effects of the inlet boundary layer thickness on the loss mechanism in a low-speed axial compressor operating at the design condition(${\phi}=85\%$) and near stall condition(${\phi}=65\%$). At the design condition, the flow phenomena such as the tip leakage flow and hub comer stall are similar independent of the inlet boundary layer thickness. However, when the axial compressor is operating at the near stall condition, the large separation on the suction surface near the casing is induced by the tip leakage flow and the boundary layer on the blade for thin inlet boundary layer but the hub corner stall is enlarged for thick inlet boundary layer. These differences of internal flows induced by change of the boundary layer thickness on the casing and hub enable loss distributions of total pressure to be altered. When the axial compressor has thin inlet boundary layer, the total pressure loss is increased at regions near both casing and tip but decreased in the core flow region. In order to analyze effects of inlet boundary layer thickness on total loss in detail, using Denton's loss models, total loss is scrutinized through three major loss categories in a subsonic axial compressor such as profile loss, tip leakage loss and endwall loss.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.8
s.239
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pp.956-962
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2005
A three-dimensional computation was conducted to make a study about effects of the inlet boundary layer thickness on the total pressure loss in a low-speed axial compressor operating at the design condition ($\phi=85\%$) and near stall condition($\phi=65\%$). Differences of the tip leakage flow and hub corner-stall induced by the inlet boundary layer thickness enable the loss distribution of total pressure along the span to be altered. At design condition, total pressure losses for two different inlet boundary layers are almost alike in the core flow region but the larger loss is generated at both hub and tip when the inlet boundary layer is thin. At the near stall condition, however, total pressure loss fer the thick inlet boundary layer is found to be greater than that for the thin inlet boundary layer on most of the span except the region near hub and casing. Total pressure loss is scrutinized through three major loss categories in a subsonic axial compressor such as profile loss, tip leakage loss and endwall loss using Denton's loss model, and effects of the inlet boundary layer thickness on the loss structure are analyzed in detail.
The objective of the present study is to investigate the effects of the various inlet boundary layer thickness on convective heat transfer distribution in a turbine cascade endwall and blade suction surface. In addition, the proper height of the boundary layer fences for various inlet boundary layer thickness were applied to turbine cascade endwall in order to reduce the secondary flow, and to verify its influence on the heat transfer process within the turbine cascade. Convective heat transfer distributions on the experimental regions were measured by the image processing system. The results show that heat transfer coefficients on the blade suction surface were increased with an augmentation of inlet boundary layer thickness. However, in a turbine cascade endwall, magnitude of heat transfer coefficients did not change with variation of inlet boundary layer thickness. The results also present that the boundary layer fence is effective in reducing heat transfer on the suction surface. On the other hand, in the endwall region, boundary layer fence brought about the subsidiary heat transfer increment.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.8
s.239
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pp.948-955
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2005
A three-dimensional computation was conducted to understand effects of the inlet boundary layer thickness on the internal flow in a low-speed axial compressor operating at the design condition($\phi=85\%$) and near stall condition($\phi=65\%$). At the design condition, the flows in the axial compressor show, independent of the inlet boundary layer thickness, similar characteristics such as the pressure distribution, size of the hub comer-stall, tip leakage flow trajectory, limiting streamlines on the blade suction surface, etc. However, as the load is increased, the hub corner-stall grows to make a large separation region at the junction of the hub and suction surface for the inlet condition with thick boundary layers at the hub and casing. Moreover, the tip leakage flow is more vortical than that observed in case of the thin inlet boundary layer and has the critical point where the trajectory of the tip leakage flow is abruptly turned into the downstream. For the inlet condition with thin boundary layers, the hub corner-stall is diminished so it is indistinguishable from the wake. The tip leakage flow leans to the leading edge more than at the design condition but has no critical point. In addition to these, the severe reverse flow, induced by both boundary layer on the blade surface and the tip leakage flow, can be found to act as the blockage of flows near the casing, resulting in heavy loss.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.53
no.3
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pp.210-216
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2016
Direct numerical simulations of a spatially developing turbulent boundary layer on a flat plate have been performed to verify the applicability of OpenFOAM and adapted mesh with prism layers to turbulent numerical simulation with high fidelity as well as provide a guideline on numerical schemes and parameters of OpenFOAM. Reynolds number based on a momentum thickness at inlet and a free-stream velocity was Reθ=300. Time dependent inflow fields with near-wall turbulent structures were generated by a method of Lund et al. (1998), which was to extract instantaneous velocity fields from an auxiliary simulation with rescaled and recycled velocities at inlet. To ascertain the statistical characteristics of turbulent boundary layer, the mean profiles of streamwise velocity and turbulent intensities obtained from structured and adapted meshes were compared with the previous data.
The objective of this study is to verify the secondary flow and the total pressure loss distribution in the boundary layer fence installed linear turbine cascade passage and to propose an appropriate height of the boundary layer fence which shows the best loss reduction among the simulated fences. In this study three different boundary layer fence was installed which have different height. This study was performed by numerical method and the result showed the boundary layer fence which has the height of one third of the inlet boundary layer thickness showed the best loss reduction rate.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.12
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pp.977-982
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2009
Direct numerical simulation (DNS) of a turbulent boundary layer with moderate Reynolds number was performed to scrutinize streamwise-coherence of hairpin packet motions. The Reynolds number based on the momentum thickness (${\theta}_{in}$) and free-stream velocity (U${\infty}$) was varied in the range $Re_{\theta}$=1410${\sim}$2540 which was higher than the previous numerical simulations in the turbulent boundary layer. In order to include the groups of hairpin packets existing in the outer layer, large computational domain was used (more than 50${\delta}_o$, where ${\theta}_o$ is the boundary layer thickness at the inlet in the streamwise domain). Characteristics of packet motions were investigated by using instantaneous flow fields, two-point correlation and conditional average flow fields in xy-plane. The present results showed that a train of hairpin packet motions was propagating coherently along the downstream and these structures induced the very large-scale motions in the turbulent boundary layer.
Direct numerical simulation (DNS) dataset of a turbulent boundary layer (TBL) with a step change from smooth to rough surface is analyzed to examine spatially developing flow characteristics. The roughness elements are periodically arranged two-dimensional (2-D) spanwise rods with a streamwise pitch of ${\lambda}=8k$ ($=12{\theta}_{in}$), and the roughness height is $k=15{\theta}_{in}$, where ${\theta}_{in}$ is the inlet momentum thickness. The step change is introduced $80{\theta}_{in}$ downstream from the inlet. For the first time, full images from the DNS data with the step change from the smooth to rough walls is present to get some idea of the geometry of turbulent coherent structures over rough wall, especially focusing on their existence and partial dynamics over the rough wall. The results show predominance of hairpin vortices over the rough wall and their spanwise scale growth mechanism by merging.
Direct numerical simulations are peformed to investigate the physics of a spatially developing turbulent boundary layer flow suddenly subjected to spanwise oscillating electro-magnetic forces in the near-wall region. The Reynolds number based on the inlet momentum thickness and free-stream velocity is $Re_\theta=300$. A fully-implicit fractional step method is employed to simulate the flow. The mean flow properties and the Reynolds stresses are obtained to analyze the near-wall turbulent structure. It is found that skin-friction and turbulent kinetic energy can be reduced by the electro-magnetic forces. Instantaneous flow visualization techniques are used to observe the response of streamwise vortices to spanwise oscillating forces. The near-wall vortical structures are clearly affected by spanwise oscillating electro-magnetic forces.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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