Details

Настоящая работа посвящена численному исследованию особенностей течения и теплообмена в оребренных каналах, типичных для продольно-петлевых систем охлаждения рабочих лопаток газовых турбин. Магистерская диссертация состоит из двух основных частей: методической, в рамках которой рассматривается течение и теплообмен в прямом неподвижном оребренном канале, и исследовательской, в ходе которой проводится многорежимное численное моделирование течения и теплообмена во вращающемся оребренном канале П-образной конфигурации. В обоих случаях оребрение каналов двухсторонне-симметричное, ребра имеют квадратное сечение, угол их установки 45° относительно направления набегающего потока, шаг оребрения постоянный. Задачи, которые решались в ходе исследования: 1. Выполнение валидационных и методических расчетов, включая: расчеты стационарных полей течения в неподвижном прямом оребренном канале при различных значениях числа Рейнольдса, исследование сеточной чувствительности решения, сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными из открытых источников. 2. Выполнение многорежимных стационарных расчетов трехмерного турбулентного течения во вращающемся П-образном канале с двухсторонним оребрением. 3. Проведение нестационарных расчетов трехмерного турбулентного течения во вращающемся П-образном гладком канале с целью сравнения структуры течения и теплообмена с течением в оребренном канале той же геометрической конфигурации. 4. Анализ влияния режимных параметров на структуру течения и интенсивность теплообмена в оребренных каналах двух геометрических конфигураций (прямом и П-образном). 5. Проведение нестационарного расчета с использованием метода моделирования крупных вихрей (Large-Eddy Simulation – LES) для одного из вариантов набора режимных параметров в случае вращающегося П-образного оребренного канала, с целью сравнения с результатами численного моделирования, полученными с применением метода RANS. Численное моделирование проводилось с применением программного обеспечения ANSYS CFX 2020 R2. Для большинства расчетов моделирование было выполнено на основе RANS подхода и двухпараметрической дифференциальной модели турбулентности k-omega SST Ментера. В работе представлены: поля скорости, температуры, вихревой вязкости и кинетической энергии турбулентности в поперечных и продольных сечениях каналов, с визуализацией линий тока, изоповерхности Q-критерия, демонстрирующие эволюцию вихревых структур, а также поля показателя интенсивности теплоотдачи и фактора коэффициент трения на оребренных и гладких стенках каналов. В ходе работы производится анализ: • ключевых факторов в структуре течения, играющих главную роль в интенсификации теплообмена; • зависимости тепло-гидравлических характеристик от режимных параметров течения; • влияния вращения на модификацию картины течения, приводящую к формированию асимметричного распределения в структуре теплообмена. Установлено, что в каналах с наклонным оребрением вследствие срыва потока с передней кромки верхней грани ребра формируется крупномасштабный кромочный вихрь, играющий основную роль в интенсификации теплообмена. Кроме того, ребра турбулизаторы подобно лопаткам завихрителям приводят к образованию глобального продольно-закрученного течения, что также способствует интенсивному перемешиванию рабочей среды и соответствующему росту теплоотдачи на оребренных и гладких торцевых стенках каналов. Анализ развития турбулентного течения в канале однопроходной конфигурации выявил характерное монотонное увеличение интенсивности теплоотдачи на протяжении нескольких межреберных промежутков, после чего наблюдается плавное снижение степени интенсификации теплообмена, обусловленное постепенным установлением структуры потока и уменьшением величины температурного напора. В случае вращения оребренного канала двухпроходной геометрической конфигурации наблюдается общее снижение интегральной интенсивности теплоотдачи по сравнению с неподвижным П-образным каналом, причем степень ухудшения возрастает с ростом параметра вращения Ro. Максимальное снижение степени интенсификации теплообмена в случае RANS моделирования не превышает 6 %, что в реальных условиях эксплуатации ГТУ является незначительным. Результаты LES моделирования демонстрируют более существенное интегральное снижение интенсивности теплоотдачи, составляющее 17.8 %. Наибольшую опасность представляет формирование асимметричного распределения в структуре теплообмена, вызванного сдвиговой модификацией картины течения вследствие влияния объемной силы Кориолиса. При вращении в положительном направлении наблюдается увеличение интенсивности теплоотдачи на оребренной стенке, обращенной к корытцу профиля пера лопатки, и уменьшение на противолежащей стенке, обращенной к спинке профиля пера лопатки. Данный эффект может приводить к возникновению не-равномерности в тепловом состоянии лопаточных аппаратов ГТУ и, как следствие, к росту термических напряжений, что является неблагоприятным с точки зрения ресурса и эксплуатационной надежности энергетического оборудования. Все это, в свою очередь, подтверждает необходимость регулярного проведения экспериментальных и численных исследований, направленных на изучение особенностей течения и теплообмена в системах охлаждения рабочих лопаток газовых турбин, в рамках реальной проектной практики.

The present work is devoted to numerical investigation of flow and heat transfer in ribbed channels typical for longitudinal-loop cooling systems of gas tur-bine blades. The masters dissertation consists of two main parts: a methodological part, which examines the flow and heat transfer in a straight stationary ribbed channel, and a research part, which conducts multi-regime numerical modelling of the flow and heat transfer in a rotating ribbed channel with a U-shaped configuration. In both cases, the ribbed channels are bilaterally symmetric, the ribs have a square cross-section, their angle of installation is 45° relative to the direction of the oncoming flow, and the rib spacing is constant. The objectives that were addressed in the study were: 1. Performance of validation and methodological simulations, including: modeling of stationary flow fields in a fixed straight ribbed channel at different values of Reynolds number, investigation of grid sensitivity of the solution, comparison of numerical modeling results with experimental data from open sources. 2. Performing multi-regime steady-state numerical modeling of three-dimensional turbulent flow in a rotating U-shaped channel with double-sided ribs. 3. Performing unsteady numerical simulations of three-dimensional turbulent flow in a rotating U-shaped smooth channel in order to compare the structure of flow and heat transfer with the flow in a ribbed channel of the same geo-metric configuration. 4. Analyzing the influence of regime parameters on the flow structure and heat transfer intensity in ribbed channels of two geometric configurations (straight and U-shaped). 5. Performing unsteady modeling using Large-Eddy Stimulation (LES) for one variant of the set of regime parameters in the case of a rotating U-shaped ribbed channel in order to compare with the results of numerical simulation obtained using the RANS method. Numerical modeling was performed using ANSYS CFX 2020 R2 software. For most variants of the simulations, modeling was performed on the basis of the RANS approach and the two-parameter diff-inferential turbulence model k-omega SST Menter. The paper presents velocity, temperature, eddy viscosity, and turbulent kinetic energy fields in transverse and longitudinal channel sections, with visualisation of streamlines, Q-criterion isosurfaces demonstrating the evolution of eddy structures, as well as fields of heat transfer intensity and friction factor on finned and smooth channel walls. In the course of the work is analyzed: • key factors in the flow structure that play a major role in heat transfer intensification; • the dependence of thermal-hydraulic characteristics on flow regime parameters; • the influence of rotation on the modification of the flow pattern, leading to the formation of an asymmetrical distribution in the heat exchange structure. It is established that in channels with inclined ribs due to the flow disruption from the leading edge of the upper edge of the rib a large-scale edge vortex is formed, which plays the main role in heat exchange intensification. In addition, the rib turbulators like vane swirlers lead to the formation of a global longitudinal-twisted flow, which also contributes to intensive mixing of the working medium and the corresponding growth of heat transfer on the ribbed and smooth end walls of the channels. The analysis of turbulent flow development in a single-pass channel configuration revealed a characteristic monotonic increase in heat transfer intensity over several inter-rib areas, followed by a gradual decrease degree of heat ex-change intensification. This effect is explained by the gradual stabilisation of the flow structure and a decrease in temperature potential. In the case of rotation of a ribbed channel with a two-pass geometric configuration, there is an overall decrease in the integral heat transfer intensity compared to a stationary U-shaped channel, with the degree of deterioration increasing with the increase in the rotation parameter Ro. The maximum reduction in heat transfer intensification in the case of RANS modelling does not exceed 6%, which is insignificant in real gas turbine operating conditions. The results of LES modelling demonstrate a more significant integral reduction in heat transfer intensity, amounting to 17.8%. The greatest danger is posed by the formation of an asymmetrical distribution in the heat exchange structure caused by a shear modification of the flow pattern due to the influence of the Coriolis force. When rotating in the positive direction, an increase in heat transfer intensity is observed on the ribbed wall facing the blade profile trough, and a decrease on the opposite wall facing the blade pro-file back. This effect can lead to uneven thermal conditions in gas turbine blades and, as a result, to increased thermal stress, which is unfavourable in terms of the service life and operational reliability of power equipment. All this, in turn, con-firms the need for regular experimental and numerical studies aimed at investigating the characteristics of flow and heat transfer in gas turbine blade cooling systems within the framework of real engineering practice.