A gas turbine blade has an internal cooling passage equipped with ribs, which can be modeled as a ribbed channel. We have studied a flow inside a ribbed channel using large eddy simulaton (LES) with a dynamic subgrid-scale model. The simulation results are compared with the experimental ones. The turbulence intensity and local heat transfer near the rib have not been well captured by the conventional Reynolds averaged Navier-Stokes simulation (RANS). However, these variables obtained by the present LES agree well with those from experiments. From the instantaneous velocity and temperature fields, we explain the mechanisms responsible for the local peaks in the heat transfer distribution along the channel wall. We have also investigated the effect of rotation on the flow and heat transfer in the ribbed channel.
The effect of inlet velocity profile on the heat transfer coefficient in a rotating smooth channel was investigated experimentally. Three simulated inlet flow conditions of fully developed, uniform, and distorted inlet conditions were tested. The Reynolds number based on the channel hydraulic diameter was ranged from 10,000 to 30,000 and the transient liquid crystal technique was used to measure the distribution of the heat transfer coefficient in the rotating channel. Results showed that the overall heat transfer coefficient increased as the Reynolds number increased. Also, the distribution of the heat transfer coefficient was strongly affected by the inlet flow condition. Generally, the fully developed flow simulated condition showed the highest heat transfer coefficient.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.2
no.2
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pp.136-146
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2009
Small axial fans have become widely used as cooling devices in recent years. Because of their increasing importance, studies have been conducted on ways to improve the performance and reduce the noise of such fans. In this report, a small axial fan with a diameter of 85 mm (a type popularity used in personal computer or workstation) was selected for further examination. The influence on aerodynamic performance and noise of such frame design parameters as blade tip clearance results in a decrease of discrete frequency noise and an increase of broad-spectrum noise. As for the most suitable design refinement in terms of fan efficiency, we found that the treatment of outlet corner roundness and altering spoke skew to the direction counter to that of fan rotation was effective.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.7
no.1
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pp.142-149
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1995
Axial fans are very useful cooling devices being widely used in many electric and industrial machinery. However those are often accompanying annoying noise. Many efforts have been devoted in order to reduce the fan noise. In this study, the procedure was devided into two major parts in considering effects of design parameters of axial fan concerned with noise ; the fan theory and the Fukano's fan noise study. By using the fan theory we defined stagger angle, camber angle, blade inlet and outlet angle for studying low noise fan. Then the effects of such angles on the flow rate and static pressure were investigated. By using the Fukano's fan noise theory, the relations of the chord length, the rotational speed and the number of blades vs. fan noise are investigated.
The internal cooling passage of a gas turbine blade can be modeled as a ribbed channel. Most studies have considered square ribs. However, the ribs can be rounded due to improper manufacturing or wear during the operation. Hence, we have studied two different rib geometries in this study, i.e. square and semicircle ribs. We have performed large eddy simulations (LES) and experiments to validate the results from the simulations. LES predicts the detailed flow and thermal features, which have not been captured by simulations using turbulence models. By investigating the instantaneous flow and thermal fields, we propose the mechanisms for the local heat transfer distribution between ribs. For both the geometries, heat transfer is enhanced by the entrainment of the cold fluid by the vortical motions and impingement of the entrained cold fluid on the ribs.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.6
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pp.1931-1940
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1996
The effect of periodic passing wake on the film-coolant flow issuing normally from a flat plate was investigated experimentally. The passing wake was generated by rotating thin circular bars. Depending on the rotational direction the test plate could be simulated as a pressure surface or a suction surface of a gas turbine blade. The phase-averaged velocity components were measured using an X-type hot-wire probe. The Reynolds number based on the free-stream velocity and injection hole diameter was 23, 500 and the velocity ratio which is the ratio of film coolant velocity to free-stream velocity was 0.5. The velocity-triangle induced by the wake was similar to that induced by the one generated at the blade trailing edge. The vertical velocity component induced by the passing wake, which approaches to the suction surface and moves away from the pressure surface, played a dominant role in the variation of the flow field. The variation in the phase-averaged velocity on the pressure surface was greater than on the suction surface, but the turbulence kinetic energy variation on the suction surface appeared larger than on the pressure surface.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.7
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pp.849-861
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1997
In this study, the effect of hole geometry of the cooling system on the flow and temperature field was numerically calculated. The finite volume method was employed to discretize the governing equation based on the non-orthogonal coordinate with non-staggered variable arrangement. The standard k-.epsilon. turbulence model was used and also the predicted results were compared with the experimental data to validate numerical modeling. The predicted results showed good agreement in all cases. To analyze the effect of the discharge coefficient for slots of different length to width, the inlet chamfering and radiusing holes were considered. The discharge coefficient was increased with increment of the chamfering ratio, radiusing ratio and slot length to width and also the effect of radiusing showed better result than chamfering in all cases. In order to analyze the difference between the predicted results with plenum region and without plenum region, the velocity profiles of jet exit region for a various flow conditions were calculated. The normal velocity components of jet exit showed big difference for the low slot length to width and high blowing rate cases. To analyze the flow phenomena injected from a row of inclined holes in a real turbine blade, three dimensional flow and temperature distribution of the region including plenum, hole and cross stream with flow conditions were numerically calculated. The results have shown three-dimensional flow characteristics, such as the development of counter rotating vortices, jetting effect and low momentum region within the hole in addition to counter rotating vortex structure in the cross stream.
Seo, Hyeong-Joon;Kuk, Keon;Lee, Joon-Sik;Lee, Sang-Woo
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.3
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pp.645-652
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1994
The leading edge of a turbine blade was simulated as a circular cylindrical surface. The effect of free-stream turbulence on the mass transfer upstream of the injectionhole has been investigated experimentally. The effects of injection location, blowing ratio on the Sherwood number distribution were examined as well. The mass transfer coefficients were measured by a naphthalene sublimation technique. The free-stream Reynolds number based on the cylinder diameter is 53,000. Other conditions investigated are: free-stream turbulence intensities of 3.9% and 8.0%, injection locations of $40^{\circ}$, $50^{\circ}$, and $60^{\circ}$ from the front stagnation point of the cylinder, and blowing ratios of 0.5 and 1.0. The role of the horseshoe vortex formed upstream edge of the injected jet is dicussed in detail. When the blowing ratio is unity, and the coolant jet is injected at $40^{\circ}$, the mass transfer upstream of the jet is not affected by the coolant jet at all. On the other hand, when the injection hole is located beyond $50^{\circ}$, the mass transfer upstream edge of the injection hole suddenly increases due to the formation of the horseshoe vortex, but it dereases as the free-stream turbulence intensity increases because the strength of the horseshoe vortex structure becomes weakened. The role of the horseshoe vortex is clearly evidenced by placing a rigid rod at the injection hole instead of issuing the jet. In the case of the rigid rod, the spanwise Sherwood number upstream of the injection hole is much larger due to the intense influence of the horseshoe vortex.
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.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.25
no.1
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pp.130-137
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2019
In this study, a centrifugal seawater cooling pump was analyzed to investigate its cavitation behavior over different operating flow rates. 3D two-phase simulations were carried out with ANSYS-CFX commercial code. The $k-{\varepsilon}$ turbulence and Rayleigh-Plesset cavitation models were employed in the simulations. A head drop characteristics curves for three discharge rates was built based on numerical predictions. At higher flow rates, the impeller was more vulnerable to bubble cavitation. The 3 % head drop points of the pump working at 0.7Q, Q, and 1.3Q (Q: design flow rate) corresponded with NPSHa 1.21 m, 1.83 m, and 3.45 m, respectively. The volume of vapor bubbles was estimated and cavitation locations were anticipated to visualize the development of the cavity within the impeller. Moreover, the distribution of pressure coefficient and a blade loading chart are specifically presented, bringing out the harmful impacts of cavitation on the pump operation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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