[SME-NCKH] CÔNG BỐ TIÊU BIỂU THÁNG 3/ 2024

Numerical investigation of the flows and heat transfer characteristics of internal cooling channels with separated ribs in gas turbine blades

Doi: https://doi.org/10.1063/5.0183192

Danh sách tác giả: Van-Hoang Nguyen (Nguyễn Văn Hoàng), Tai Duy Vu (Vũ Tài Duy), Cong-Truong Dinh (Đinh Công Trường), Sung Goon Park.

Tên tạp chí: Physics of Fluids; IF: 4.6, CiteScore: 6.4 (Data from the 2022 Journal Citation Reports® Science Edition (Clarivate, 2023)

Giới thiệu về nội dung nghiên cứu công bố:

Động cơ tua-bin khí đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm sản xuất điện, hàng không và động cơ đẩy hàng hải. Một trong những thách thức lớn trong việc thiết kế động cơ tua-bin khí là quản lý nhiệt độ cao do quá trình đốt cháy tạo ra. Làm mát bên trong là một kỹ thuật thường được sử dụng để duy trì nhiệt độ của các bộ phận quan trọng, chẳng hạn như cánh tuabin, trong phạm vi hoạt động an toàn. Bộ tạo rối dạng sườn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống làm mát bên trong để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt bằng cách thúc đẩy sự nhiễu loạn trong dòng chất lỏng. Tuy nhiên, sự tồn tại của một gân liên tục trong kênh làm mát có thể dẫn đến nhiệt độ tăng cao gần phần gân, có khả năng làm giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống. Để đối phó với thách thức này, một thiết kế bộ tạo sóng dạng sườn mới, được ký hiệu là ‘sườn tách biệt’, đã được giới thiệu để giảm thiểu vùng nhiệt độ cao. Thông qua việc sử dụng thiết kế khe hở đi qua trong cấu hình sườn tách biệt, dòng chất làm mát đi qua khe hở, loại bỏ hiệu quả vùng có nhiệt độ cực cao và tăng cường dòng thứ cấp. Do đó, nó mang lại sự cải thiện đáng kể về hiệu suất truyền nhiệt trong kênh có gân. Các mô phỏng số được thực hiện bằng cách giải các phương trình Navier-Stokes lấy trung bình 3 chiều (3D) Reynolds bằng phần mềm thương mại ANSYS CFX. Chất lỏng làm việc là hơi nước và hiệu suất truyền nhiệt được đánh giá theo số Nusselt (Nu), hệ số ma sát (f) và hệ số hiệu suất nhiệt (TPF). Kết quả cho thấy cấu hình gân tách có số Nusselt cao hơn khoảng 17,3% so với cấu hình gân ban đầu khi số Reynolds (Re) thay đổi từ 5000 đến 60000. Cấu hình gân tách luôn cho thấy giá trị TPF cao hơn trong khoảng từ 1,6 đến 1,9 so với cấu hình xương sườn ban đầu, trong đó TPF nhỏ hơn 1,35. Hơn nữa, mối tương quan truyền nhiệt liên quan đến số Reynolds được phát triển để dự đoán hiệu suất truyền nhiệt. Các mối tương quan truyền nhiệt phù hợp chặt chẽ với các kết quả mô phỏng số, cho thấy sự cải thiện lần lượt là khoảng 17,4% và 34,3% về Nu và TPF đối với hệ thống được thiết kế mới của chúng tôi so với phiên bản cũ.

Hình ảnh tiêu biểu:

Figure 1 Geometry of the channel with and without separated ribs. (a) Top view of the channel. (b) 3D view of the half channel. Configurations and geometric parameters of the (c) original ribs and (d) separated ribs from the side view (z-direction) on the right side of the channel, denoted by the dashed box in (a).

Figure 2 The computational domain: (a) grid structure, and (b) boundary conditions.

Figure 3 Nusselt number comparisons of the present numerical data with experiment data: (a) averaged Nusselt number for different Re, and (b) Nusselt number at the center line at Re = 37392.

Figure 4 Comparison of thermal performance between the original rib and separated rib configurations for different Reynolds numbers; (a) Average wall temperature, (b) Nusselt number, (c) friction factor, and (d) thermal performance factor.

Figure 5 Temperature and Nusselt number contours on the ribbed wall at Re = 21462. (a) Temperature and (b) Nusselt number contours of the original rib case. (c) Temperature and (d) Nusselt number contours of the separated rib case. Differences in (e) temperature (T_sep – T_org) and (f) Nusselt number (Nu_sep – Nu_org) between the separated and original rib cases, where the subscript ‘sep’ and ‘org’ denote the separated rib and original rib, respectively.

Figure 6 The secondary flow vortex core distribution with velocity swirling strength contour at Re = 21462: (a) original rib and (b) separated rib.