Most of modem aerospace gas turbines must be operated at a gas temperature which is several hundreds of degrees higher than the melting temperatures of the materials used in their construction. Complicated cooling schemes need to be employed in the combustor walls and in the high pressure turbine stages. Internal passages are cast or machined into the hot sections of aero-gas turbine engines and air from the compressor is used for cooling. In many cases, the cooling system is engineered to utilize jets of high velocity air, which impinge on the internal surfaces of the components. They are categorized as 'Impinging Cooling Method' and 'Vortex Cooling Method'. Specially, research of new cooling system(Vortex Cooling Method) that overcomes inefficiency of film cooling and limitation of space. The focus of new cooling system that improves greatly cooling efficiency using less amount of cooling air on surface heat transfer elevation. Therefore, in this study, a numerical analysis has been peformed for characteristics of flow and heat transfer in the swirl chamber and compared with the flow measurements by LDV. Especially, for understanding high heat transfer efficiency in the vicinity of wall, we considered flow structure, vortex mechanism and heat transfer characteristics with variation of the Reynolds number.
As an alternative cooling method to reduce environmental hazard, vortex tubes have been studied for energy separation into cold and hot streams. Hence, the experiments were carried out systematically to find the best ratio of vortex chamber diameter to tube diameter. Also, the work was don to investigate how inlet pressure and geometric ratios of vortex tube affected temperature differences at tow needs as ell as cooling capacity and cooling efficiency. The result showed that the maximum temperature differences at the both ends and the maximum cooling efficiency were obtained when the ratio of vortex chamber diameter was about 1.45, while the inlet pressure ws not higher than 0.7 MPa.
All modem, aerospace gas turbines must operate with hot stage gas temperature several hundreds of degrees hotter than the melting temperatures of the materials used in their construction. Complicated cooling schemes need to be employed in the combustor walls and In the high pressure turbine stages. Internal passages are cast or machined into the hot sections of aero-gas turbine engines and air from the compressor is used for cooling. In many cases, the cooling system is engineered to utilize jets of high velocity air, which impinge on the internal surfaces of the components. They are divided by Impinging cooling method and Vortex cooling method. Specially, Research of new cooling system(Vortex cooling method) that overcome inefficiency of film cooling and limitation of space. The focus of new cooling system that improve greatly cooling efficiency using quantity's cooling air which is less is set in surface heat transfer elevation. Therefore, In this study, the numerical analysis have been performed for characteristic of flow and thermal in the swirl chamber and compared with the flow field measurement by LDV. especially, for understanding of high heat transfer efficiency in vicinity of wall. we considered flow structure and mechanism of vortex and heat transfer characteristic in variation of Reynolds number.
Turbulent jet in a crossflow, issuing from a row of holes on a convex surface of 90 .deg. bend duct, is predicted by a 3-dimensional numerical method. The Cartesian coordinate system in adopted in upstream and downstream tangents and the cylindrical polar coordinate system in curved region. The Reynolds stresses and heat fluxes are obtained from a standard k-e model in the core region and van Driest model in the vicinity of the wall. The governing equations are discretized by a finite volume method and solutions are obtained by a locally elliptic calculation procedure. Pressure and convective terms are treated by SIMPLE algorithm and hybrid scheme respectively. A vortex initially induced by the injected jet has been built up due to the interaction with the secondary flow caused by pressure gradient and centrifugal force. The vortex structure has a strong influence on the wall cooling effectiveness. Another vortex like horseshoe is formed in the vicinity of the injection hole and its strength is getting weak as it moves downward.
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.
Fan noise prediction method is presented for air conditioning, automobile and electronic cooling system applications where fan acts as an internal equipment having very complicated flow interaction with other various system components. The internal flow paths and distribution in the fan-applied systems such as computer or air conditioner are analyzed by using the FNM(flow network modeling). Fan noise prediction method comprises two models for the discrete frequency noise due to rotating steady aerodynamic lift and blade interaction and for the broadband noise due to turbulent boundary layer and wake vortex shedding. Based on the fan operation point predicted from the FNM analysis results and fan design parameters, the present far noise model predicts overall sound pressure level and spectrum. The predictions for the flow distribution, the fan operation and the noise level in air cooling system by the present method are well agreed with 3-D CFD and actual noise test results.
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.
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.
The heat transfer and flow measurements on a pedestal encountered in chip cooling. A uniform wall temperature boundary condition at the plate surface and on a pedestal was created using shroud method. Liquid crystal was used to measure the plate surface temperature. The jet Reynolds number (Re) ranges from 11,000 to 50,000, the dimensionless nozzle-to-surface distance (L/d) from 2 to 10, and the dimensionless pedestal diameter-to-height (H/D) from 0 to 1.0. The results show that the Nusselt number distributions at the near the pedestal exhibit secondary maxima at $r/d{\cong}1.0\;and\;1.5$. The formation of the secondary maxima is attributed to an create in the vortex by the pedestal.
The common method to improve heat transfer in Nuclear fuel rod bundle is install a mixing vane in space grid. The previous split mixing vane is guides cooling water to swirl flow in sub-channel of fuel assembly. But, this swirl flow decade rapidly after mixing vane and the effect of enhancing the heat transfer vanish behind this short region. The large scale secondary vortex flow was generated by rearranging the inclined angle direction of mixing vanes to the coordinated directions. This LSVF mixing vanes generate the most strong secondary flow vortices which maintain about 35 $D_H$ after the spacer grid and the streamwise vorticity in subchannel with LSVF mixing vane sustain two times more than that in subchannel with split mixing vane. The turbulent kinetic energy and the Reynolds stresses generated by the mixing vanes have nearly same scales but maintain twice more than previous type.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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