The effects of injection angles between $0^{\circ}$ and $9^{\circ}$, mainstream turbulent intensities between 0.36 percent and 9.3 percent and embedded longitudinal vortices on jets issuing from a single film cooling hole and from a row of inclined holes are investigated. The heat transfer coefficients around film cooling holes are affected greatly by the compound injection angles. The injected jets affected weakly by the freestream turbulence at low level. However, the heat transfer coefficients near the film cooling holes have higher values at a high turbulence intensity. The vortices generated from a delta winglet change the injected jet direction and the kidney-type vortex pattern.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.41
no.3
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pp.161-169
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2017
The present study investigated the effect of the rib arrangement and a guide vane for enhancing internal cooling of the blade. Two types of rib arrangements were used in the first and second passage in parallel. Aspect ratio of the channel was 5 and a fixed Reynolds number based on hydraulic diameter was 10,000. The attack angle of rib was $60^{\circ}$, rib pitch-to-height ratio (p/e) was 10, and the rib height-to-hydraulic-diameter ratio ($e/D_h$) was 0.075. The effect of an interaction between Dean vortices and the secondary vortices from the first passage was observed. Overall, the attack angle of rib in the first passage was dominant factor to heat transfer and flow patterns in turning region. Also, the channel with a guide vane showed enhanced heat transfer at the tip surface with reducing flow separation and recirculation.
Kim, K.Y.;Lee, K.D.;Moon, M.A.;Heo, M.W.;Kim, H.M.;Kim, J.H.;Husain, A.
한국전산유체공학회:학술대회논문집
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2010.05a
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pp.530-533
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2010
This paper presents numerical analysis and design optimization of various turbine blade cooling techniques with three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) analysis. The fluid flow and heat transfer have been performed using ANSYS-CFX 11.0. A fan-shaped hole for film-cooling has been carried out to improve film-cooling effectiveness with the radial basis neural network method. The injection angle of hole, lateral expansion angle of hole and ratio of length-to-diameter of the hole are chosen as design variables and spatially averaged film-cooling effectiveness is considered as an objective function which is to be maximized. The impingement jet cooling has been performed to investigate heat transfer characteristic with geometry variables. Distance between jet nozzle exit and impingement plate, inclination of nozzle and aspect ratio of nozzle hole are considered as geometry variables. The area averaged Nusselt number is evaluated each geometry variables. A rotating rectangular channel with staggered array pin-fins has been investigated to increase heat transfer performance ad to decrease friction loss using KRG modeling. Two non-dimensional variables, the ratio of the eight diameter of the pin-fins and ratio of the spacing between the pin-fins to diameter of the pin-fins selected as design variables. A rotating rectangular channel with staggered dimples on opposite walls are formulated numerically to enhance heat transfer performance. The ratio of the dimple depth and dimple diameter are selected as geometry variables.
Local heat/mass transfer and friction loss in a square duct roughened with various types of continuous and discrete rib turbulators are investigated. The combined effects of the gap flows of the discrete ribs and the secondary flows are examined for the purpose of the reduction of thermally weak regions and the promotion of the uniformity of heat/mass transfer distributions as well as the augmentation of average heat/mass transfer. The rib-to-rib pitch to the rib height ratio (p/e) of 8 and the rib angles of 90 and 60 deg are selected with $e/D_{h}=0.08$. The vortical structure of the secondary flows induced by the parallel angled arrays are quite distinct from that induced by the cross angled arrays. This distinction influences on heat/mass transfer and friction loss in all the tested cases. The gap flows of the discrete ribs reduce the strength of the secondary flows but promote local turbulence and flow mixing. As a result, the fairly uniform heat/mass transfer distributions are obtained with two row gaps.
The present study investigates the effects of various rib arrangements and rotating on heat/mass transfer in the cooling passage of gas turbine blades. The cooling passage has very complex flow structure, because of the rib turbulator and rotating effect. Experiments and numerical calculation are conducted to investigate the complex flow structures and heat transfer characteristics; the numerical computation is performed using a commercial code, FLUENT ver.5, to calculate the flow structures and the experiments are conducted to measure heat/mass transfer coefficients using a naphthalene sublimation technique. For the rotating duct tests, the test duct, which is the cross section of is $20mm\times40mm$ (the hydraulic diameter, $D_h$, of 26.7 mm, has two-pass with $180^{\circ}$ turning and the rectangular ribs on the wall. The rib angle of attack is $70^{\circ}$ and the maximum radius of rotation is $21.63D_h$. The partition wall has 10 mm thickness, which is 0.5 times to the channel width, and the distance between the tip of the partition wall and the outer wall of the turning region is 26.7 mm $(1D_h)$. The turning effect of duct flow makes the very complex flow structure including Dean type vortex and high turbulence, so that the heat/mass transfer increases in the turning region and at the entrance of the second pass. The Coriolis effect deflects the flow to the trailing surface, resulting in enhancement of the heat/mass transfer on the trailing surface and reduction on the leading surface in the first pass. However, the opposite phenomena are observed in the second pass. The each rib arrangement makes different secondary flow patterns. The complex heat/mass transfer characteristics are observed by the combined effects of the rib arrangements, duct rotation and flow turning.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.12
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pp.4013-4026
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1996
A numerical simulation has been carried out for the jet impinging on a flat plate and a semi-circular concave surface. In this computation finite volume method was employed to solve the full Navier-Stokes equation based on a non-orthogonal coordinate with non staggered variable arrangement. The standard k-.epsilon. turbulent model and low Reynolds number k-.epsilon. model(Launder-Sharmar model) with Yap's correction were adapted. The accuracy of the numerical calculations were compared with various experimental data reported in the literature and showed good predictions of centerline velocity decay, wall pressure distribution and skin friction. For the jet impingement on a semi-circular concave surface, potential core length was calculated for two different nozzle(round edged nozzle and rectangular edged nozzle) to consider effects of the nozzle shape. The result showed that round edged nozzle had longer potential core length than rectangular edged nozzle for the same condition. Heat transfer rate along the concave surface with constant heat flux was calculated for various nozzle exit to surface distance(H/B) in the condition of same jet velocity. The maximum local Nusselt number at the stagnation point occurred at H/B = 8 where the centerline turbulent intensity had maximum value. The predicted Nusselt number showed good agreement with the experimental data at the stagnation point. However heat transfer predictions along the downstream were underestimated. This results suggest that the improved turbulence modeling is required.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.39
no.10
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pp.773-778
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2015
The local heat transfer and pressure drop of developed turbulent flows in convergent/divergent channels with square axial cross-sectional areas were experimentally investigated to improve the channel design, such as a gas turbine cooling system. Square convergent/divergent channels with one ribbed wall were manufactured with a fixed rib height e of 10 mm and a ratio of rib spacing p to height e of 10. The measurement was conducted for Reynolds numbers from 15,000 to 89,000. Convergent, divergent, and straight channels with ratios $D_{ho}/D_{hi}$ of 0.75, 1.33, and 1.0, respectively, are considered. Of the three channel types, the ribbed divergent channel was found to produce the best thermal performance under identical flow rate, pumping power, and pressure loss conditions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.9
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pp.1227-1233
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2010
In the hot section of a gas turbine, the turbine blades were protected from high temperature by providing a thermal barrier coating (TBC) as well as by cooling air flowing through internal passages within the blades. The cooling air then passed through discrete holes on the blade surface, creating a film of cooling air that further protects the surface from the hot mainstream flow. The holes are subjected to stresses resulting from the lateral growth of thermally grown oxide, the thermal expansion misfit between the constituent layers, and the centrifugal force due to high-speed revolution; these stresses often result in cracking. In this study, the deformation and cracks occurring near a hole on a heat-resistant alloy subjected to thermo-mechanical cycling were investigated. The experiment showed that cracks formed around the hole depending on the applied stress level and the number of cycles. These results could be explained by our analytic solution.
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