A numerical study is performed to investigate the interaction between subsonic axial turbine blade boundary layer and periodically oncoming rotor induced wakes. An implicit scheme for solving the compressible Navier-Stokes equation is developed, which adopts a 4th-order compact difference for spatial discretiztion, a 2nd order Crank-Nicolson scheme for temporal discretization and the dynamic eddy viscosity model as the subgrid scale model. The efficiency and the accuracy of the proposed method are verified by applying to some benchmark problems such as laminar cylinder flow, laminar airfoil cascade flow and a transitional flat plate boundary layer flow. Computational results show good agreements with previous experimental and numerical results. Finally, flow through a stator cascade is simulated at $Re = 7.5{\times}10^5$ without free-stream turbulence intensity. The velocity fields and skin friction coefficients in the transitional region show similar trends with previous boundary layer natural transition.
Numerical prediction of the diffusion controlled transition in a turbine gas pass is important because it can change the local heat transfer rate over a turbine blade as much as three times. In this study, the gas flow over turbine blade is simplified to the flat plate boundary layer, and an adaptive grid scheme redistributing grid points within the computation domain is proposed with a great emphasis on the construction of the grid control function. The function is sensitized to the second invariant of the mean strain tensor, its spatial gradient, and the interaction of pressure gradient and flow deformation. The transition process is assumed to be described with a κ-ε turbulence model. An elliptic solver is employed to integrate governing equations. Numerical results show that the proposed adaptive grid scheme is very effective in obtaining grid independent numerical solution with a very low grid number. It is expected that present scheme is helpful in predicting actual flow within a turbine to improve computation efficiency.
본 연구에서는 발전용 터빈 제 1 단 동익 흡입면에서 발달하는 경계층유동에 대하여 체계적으로 연구하였다. 이를 위해 흡입면에서 열부하가 급격하게 변화하는 대표적인 영역에 대하여, 경계층의 평균 유속, 난류강도, 에너지스펙트럼 등을 측정하였다. 그 결과 흡입면 경계층유동이 층류에서 난류 경계층으로 천이됨을 확인할 수 있었고, 이 천이경로는 박리버블의 전단층에서 주로 발생하는 박리유동 천이로 확인되었다. 흡입면에서 열부하의 최소값이 존재하는 곳은 흡입면 경계층유동의 천이가 시작되는 위치에 해당하며, 열부하가 최대인 곳은 박리유동 천이가 모두 마무리되어 벽근처에 강력한 난류유동이 존재하는 곳과 일치하였다. 에너지스펙트럼의 측정을 통하여, 흡입면 경계층의 박리유동 천이 전후에 나타나는 난류운동에너지의 주파수 특성을 자세히 파악할 수 있었다.
The influence of unsteady wake on the flow and heat transfer characteristics in a four-vane linear cascade was experimentally investigated. The unsteady wake was generated with four rotating rectangular plates located upstream of the cascade. Tested inlet Reynolds number based on chord length was set to 66,000 by controlling free-stream velocity. A hot-wire anemometer system was employed to measure turbulent velocity components. For the convective heat transfer coefficients measurement on turbine blade surface, thermochromic liquid crystal and gold film Intrex were used. It was found that the unsteady wake enhances the turbulent motion in the cascade passage and accordingly promotes the development and transition of boundary layer. It was found that the heat transfer coefficients on the blade surface increase as the plate rotating speed increases. However, the increasing of heat transfer coefficients is not significant in the case that Strouhal number is higher than 0.503.
Bak, Jeong-Gyu;Cho, Jinsoo;Lee, Seawook;Kang, Young Seok
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제17권1호
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pp.8-19
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2016
This paper investigates the effects of inlet turbulence conditions and near-wall treatment methods on the heat transfer prediction of gas turbine vanes within the range of engine relevant turbulence conditions. The two near-wall treatment methods, the wall-function and low-Reynolds number method, were combined with the SST and ${\omega}RSM$ turbulence model. Additionally, the RNG $k-{\varepsilon}$, SSG RSM, and $SST_+{\gamma}-Re_{\theta}$ transition model were adopted for the purpose of comparison. All computations were conducted using a commercial CFD code, CFX, considering a three-dimensional, steady, compressible flow. The conjugate heat transfer method was applied to all simulation cases with internally cooled NASA turbine vanes. The CFD results at mid-span were compared with the measured data under different inlet turbulence conditions. In the SST solutions, on the pressure side, both the wall-function and low-Reynolds number method exhibited a reasonable agreement with the measured data. On the suction side, however, both wall-function and low-Reynolds number method failed to predict the variations of heat transfer coefficient and temperature caused by boundary layer flow transition. In the ${\omega}RSM$ results, the wall-function showed reasonable predictions for both the heat transfer coefficient and temperature variations including flow transition onset on suction side, but, low-Reynolds methods did not properly capture the variation of the heat transfer coefficient. The $SST_+{\gamma}-Re_{\theta}$ transition model showed variation of the heat transfer coefficient on the transition regions, but did not capture the proper transition onset location, and was found to be much more sensitive to the inlet turbulence length scale. Overall, the Reynolds stress model and wall function configuration showed the reasonable predictions in presented cases.
An experimental study Is conducted in a four-vane linear cascade in order to examine the influence of the wake behind rectangular bars on the flow and heat transfer characteristics. Flow and heat transfer measurements are made for the inlet Reynolds number of 66000(based on chord length and free-stream velocity). Turbulent intensity and stress are measured using a hot-wire anemometer, and to measure the convective heat transfer coefficients on the blade surface liquid crystal/gold film Intrex technique is used. Each of experimental cases is characterized by the unsteadiness measured at the entrance of the cascade. The wake behind the rectangular bars enhances the turbulent motion of the flow in the cascade passage. It also promotes the boundary layer development and transition. The results show that heat transfer coefficients on the blade surface increase with increasing unsteadiness.
A computational study on unsteady compressible flows has been performed by adopting a low Reynolds number $k-{\omega}$ turbulence model in conjunction with dual time stepping scheme. An explicit four-stage Runge-Kutta scheme for the Navier-Stokes equations and an approximate factorization scheme for the $k-{\omega}$ turbulence model equations are used. Computational results obtained for blade surface pressure distributions in the process of rotor-stator interaction in a turbine stage are in good agreement with extant experimental data. The effects of the wake from the stator on the boundary-layer transition over the rotor blade surface are discussed by showing that high intensity turbulence of the stator wake induces an early transition.
The description of transitional flows by means of RANS equations is sometimes based on non-local approaches which require the computation of some boundary layer properties. In this work a non-local Laminar Kinetic Energy model is used to predict transitional and separated flows. Usually the non-local term of this model is evaluated along the grid lines of a structured mesh. An alternative approach, which does not rely on grid lines, is introduced in the present work. This new approach allows the use of fully unstructured meshes. Furthermore, it reduces the grid-dependence of the predicted results. The approach is employed to study the transitional flows in the T106c turbine cascade and around a NACA0021 airfoil by means of a discontinuous Galerkin method. The local nature of the discontinuous Galerkin reconstruction is exploited to implement an adaptive algorithm which automatically refines the mesh in the most significant regions.
The performance in the practical combustion system including reciprocating engines and gas turbine combustors is being much governed by turbulent reacting flow that is often analyzed by both a laminar flamelets concept and flame interaction. The characteristics of laminar flame interaction have been investigated numerically to provide basic understanding of wrinkled turbulent flames under concentration interaction resulting from inhomogeneity in fuel-air mixing, especially focused on the transition of flame characteristics such as diffusion flame, partially premixed diffusion flame, and triple-layer flame by the variation in the degree of premixedness. The extinction stretch rates to the premixedness have also been obtained in this paper. The boundary defining the regime of the existence of triple-layer flames as functions of both stretch rate and premixedness has been determined which agrees well with previously reported experiment measuring OH radical concentration peaks based on PLIF.
To examine the influence of unsteady wake on the flow and heat transfer characteristics, an experiment has been conducted in a four-vane linear cascade. Flow and heat transfer measurements are made for the inlet Reynolds number of 66000(based on chord length and free-stream velocity). Turbulent intensity and stress were measured using hot wire anemometer, and to measure the convective heat transfer coefficients on the blade surfaces liquid crystal/gold film Intrex technique was used. The disturbance by the unsteady wake is characterized by the unresolved unsteadiness. The unsteady wake enhances the turbulent motion of flow in the cascade passage. It also promotes the boundary layer development and transition. The results show that heat transfer coefficients on the suction surface increase with increasing unresolved unsteadiness.
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