Numerical simulation of turbine internal cooling and conjugate heat transfer problems with rans based turbulence models

Abstract

Mevcut çalışma, iç soğutmalı bir gaz türbin palesinin konjuge ısı transferi analizinin içerdiği farklı akış tiplerinin sayısal benzeşimini kapsamaktadır. Konjuge benzeşmeler, akışkan alanlarlardaki konvektif ısı transferi ile katı alanlara nüfus eden ısının tam eşleşmesini gerektirmektedir. Bu nedenle, hem dış hem de iç yüzeylerdeki ısı transferi değerlerinin doğru tahmin edilmesi öncelikli öneme sahiptir ve büyük ölçüde kullanılan türbülans modelinin performansına bağlıdır. İç soğutmalı türbin palelerinin her iki yüzeyindeki karmaşık akışa, sınır tabakanın laminerden türbülanslı akışa geçişi, sınır tabaka ile şok dalgasının etkileşimi, yüksek akış çizgisi eğilimi ve birbirini izleyen akış ayrılması sebep olmaktadır. Farklı türbülans modellerinin bu akış tiplerindeki performansını bulmak amacıyla, her biri farklı akış ve ısı transferi özellikleriyle ilgili beş farklı deneysel çalışma üzerinde analizler yapılmıştır. En uygun RANS temelli türbülans modeline karar vermek için her deneysel çalışma ticari kodda (ANSYS FLUENT13.0) mevcut olan dört farklı türbülans modeli ile incelenmiştir. Sayısal benzeşimlerde Realizable k-? modeli, Shear Stress Transport k-? modeli, Reynolds Stress Model ve son bir kaç yılda giderek popüler olan V2-f modeli kullanılmıştır. Yürütülen analizlere göre, bir kaç makul olmayan tahmine rağmen, sayısal benzeşimlerin genelinde V2-f modeli diğer birinci derece türbülans modellerine (Realizable k-? ve Shear Stress Transport k-?) doğrulukta ve Reynolds Stress Modeli'ne yakınsamada üstün gelmiştir.

The present study considers the numerical simulation of the different flow characteristics involved in the conjugate heat transfer analysis of an internally cooled gas turbine blade. Conjugate simulations require full coupling of convective heat transfer in fluid regions to the heat diffusion in solid regions. Therefore, accurate prediction of heat transfer quantities on both external and internal surfaces has the uppermost importance and highly connected with the performance of the employed turbulence models. The complex flow on both surfaces of the internally cooled turbine blades is caused from the boundary layer laminar-to-turbulence transition, shock wave interaction with boundary layer, high streamline curvature and sequential flow separation. In order to discover the performances of different turbulence models on these flow types, analyses have been conducted on five different experimental studies each concerned with different flow and heat transfer characteristics. Each experimental study has been examined with four different turbulence models available in the commercial software (ANSYS FLUENT13.0) to decide most suitable RANS-based turbulence model. The Realizable k-? model, Shear Stress Transport k-? model, Reynolds Stress Model and V2-f model, which became increasingly popular during the last few years, have been used at the numerical simulations. According to conducted analyses, despite a few unreasonable predictions, in the majority of the numerical simulations, V2-f model outperforms other first-order turbulence models (Realizable k-? and Shear Stress Transport k-?) in terms of accuracy and Reynolds Stress Model in terms of convergence.