Cylindrical film-cooling hole is formulated numerically and optimized to enhance film-cooling effectiveness. The Kriging method is used an optimization technique with Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis of fluid and heat transfer with shear stress transport model. The hole length-to-diameter ratio and injection angle are chosen as design variables and spatially averaged film-cooling effectiveness is considered as objective function which is to be maximized. Twelve training points obtained by Latin Hypercube Sampling for two design variables. Optimum shape shows the film-cooling effectiveness increased.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.32
no.12
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pp.954-962
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2008
This study presents a numerical procedure to optimize the shape of cylindrical cooling hole to enhance film-cooling effectiveness. The RBNN method is used as an optimization technique with Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis of fluid flow and heat transfer with shear stress transport turbulent model. The hole length-to-diameter ratio and injection angle are chosen as design variables and film-cooling effectiveness is considered as objective function which is to be maximized. Twelve training points are obtained by Latin Hypercube Sampling for two design variables. In the sensitivity analysis, it is found that the objective function is more sensitive to the injection angle of hole than the hole length-to diameter ratio. Optimum shape gives considerable increase in film-cooling effectiveness.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.5
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pp.577-586
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1999
Two problems with jet injection through the cylindrical film cooling hole are 1) penetration of jet into mainstream rather than covering the surface at high blowing rates and 2) nonuniformity of the film cooling effectiveness in the lateral direction. Compound angle injection is employed to reduce those two problems. Compound angle injection increases the film cooling effectiveness and spreads more widely. However, there is still lift off at high blowing rates. Shaped film cooling hole is a possible means to reduce those two problems. Film cooling with the shaped hole is investigated in this study experimentally. Film cooling hole used in present study is a shaped hole with conically enlarged exit and Inlet-to-exit area ratio is 2.55. Naphthalene sublimation method has been employed to study the local heat/mass transfer coefficient and film cooling effectiveness for compound injection angles and various blowing rates around the shaped film cooling hole. Enlarged hole exit area reduces the momentum of the jet at the hole exit and prevents the penetration of injected jet into the mainstream effectively. Hence, higher and more uniform film cooling effectiveness values are obtained even at relatively high blowing rates and the film cooling jet spreads more widely with the shaped film cooling hole. And the injected jet protects the surface effectively at low blowing rates and spreads more widely with the compound angle injections than the axial injection.
Numerical design optimization of a fan-shaped hole for film-cooling has been carried out to improve film-cooling effectiveness by combining a three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis with the radial basis neural network method, a well known surrogate modeling technique for optimization. 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. Twenty training points are obtained by Latin Hypercube sampling for three design variables. Sequential quadratic programming is used to search for the optimal point from the constructed surrogate. The film-cooling effectiveness has been successfully improved by the optimization with increased value of all design variables as compared to the reference geometry.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.10
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pp.2590-2600
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1993
The present paper describes numerical predictions for the film cooling effectiveness from a row of hole at various injection ratios and injection alngles.Numerical calculations were performed to investigate film cooling effectiveness and the characteristics of flow and temperature distributions in the region near the downstream of injection hole including the region of adverse pressure gradient. The elliptic 3-dimensional governing equations with variable thermal properties were solved by SIMPLE algorithm. The results showed that the presence of adverse pressure gradient in the region near the downstream of injection hole induces large temperature gradient. At injection angle of $35^{\circ}$ the average film cooling effectiveness was increased as increased of injection ratio up to 1.0. At injection angle of $90^{\circ}$ however, the average film cooling effectiveness was decreased from injection ratio larger than 0.4.
Tae Ho Kim;Myung Ho Kim;Hyoung Kyu Cho;Byoung Jae Kim
Journal of the Korean Society of Visualization
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v.21
no.3
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pp.33-38
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2023
Spray cooling is a method of cooling high-temperature heating elements by spraying droplets. Recently, spray cooling has been proposed for use in next-generation nuclear reactors. When droplets are sprayed onto the outer wall of a heat exchanger tube, a film boiling occurs on the outer wall. Over time, the outer wall temperature decreases, and a liquid film forms on the outer wall, and the heat exchanger outer wall is subsequently cooled by the liquid film. In this case, the liquid film thickness has a great influence on the heat removal performance. In this study, an experimental study was conducted to measure the liquid film thickness distribution in a droplet spray environment. For this purpose, a method using the electrical conductivity of the liquid was adopted.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.7
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pp.927-936
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2002
An experimental study has been conducted to investigate the heat/mass transfer characteristics within a film cooling hole of square cross-section for various blowing ratios and Reynolds numbers. The experiments have been performed using a naphthalene sublimation method and the flow field has been analyzed by numerical calculation using a commercial code. A duct flow enters into a film cooling hole in a cross-direction. For the film cooling hole with square cross-section, it is observed that the reattachment of separated flow and the vortices within the hole enhance considerably the heat/mass transfer around the hole entrance region. The heat/mass transfer on the leading edge side of hole exit region increases as the blowing ratios decrease because the main flow induces a secondary vortex. Heat/mass transfer patterns within the square film cooling hole are changed little with the various Reynolds numbers.
In order to investigate the effects of various injection hole shapes on the film cooling of turbine blade, three test models having cylindrical and shaped holes were used. A three-dimensional Navier-Stokes code with standard k-$\epsilon$ model was used to compute the film cooling coefficient on the film cooled turbine blade. Over 330,000 grids were used to compute the flow over the blade. Mainstream Reynolds number based on the cylinder diameter was $7.1{\times}10^4$. The turbulence intensity kept at $5.0\%$ for all inlets. The effect of coolant blowing ratio was studied for various blowing ratios. For each blowing ratios, wall temperatures around the surface of test model were calculated. Temperature was visualized using cartesian cut-cell method to obtain traces of the injected secondary air on the test surface, so we could interpret the film effectiveness as temperature distributions.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2009.05a
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pp.406-407
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2009
The thermal protection techniques for ramjet combustor are key technology, which block the heat from hot combustion gas, and maintain the structure temperature safely. Film cooling method is one of them. This research proposes the optimal thermal design method through performing the study of thermal protection design for ramjet combustor.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.7
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pp.1851-1865
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1994
The objective of the present study is to predict the film cooling effectiveness by a row of holes at various injection ratios and injection angles. Numerical calculations have been performed to investigate the characteristics of flow and temperature distributions in a region near the down-stream of injection hole including the region of adverse pressure gradient. The elliptic turbulent 3-dimensional governing equations with variable thermal properties using the low-Reynolds number k-$\bar{varepsilon}$ model was solved by SIMPLE algorithm. The results showed that the presence of adverse pressure gradient and secondary vortex in the region near the downstream of injection hole induces large temperature gradent. The $45^{\circ}$ injection has higher averaged film cooling effectiveness than $60^{\circ}$ injection. But neverthless the $90^{\circ}$ injection has greater deviation from a flat plate than $45^{\circ}$ and $60^{\circ}$ injection, the $90^{\circ}$ injection has higher averaged film cooling effectiveness than $45^{\circ}$ and $60^{\circ}$ injection in the region near the downstream of injection hole.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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