Turbulent flow over a pin fin array: parametric study

Abstract

Modern jet engines reach very high combustion temperatures to achieve higher thermal efficiencies which can damage the turbine blades. Damage can occur in the turbine blade due to the temperature difference between the interior and the exterior causing material creep and thermal fatigue. To avoid damage efficient cooling systems have been proposed such as film cooling, internal channels, and pin fins. This research focus on pin fins, which are small protruding cylinders at the trailing edge of the turbine blade, specifically the purpose of this work is to find the optimum layout of pin fins such that it enhances the heat transfer process with a minimum pressure drop. To find this optimum pin configuration experiments and numerical simulations have been performed. Experiments consisted on determine the friction factor for pin fins arrays ranging from one row to ten rows at equally spaced intervals and various Reynolds number (Re). Experiments demonstrated that for arrays with more than 6 rows of pin fins the friction factor follows a decreasing trend as the Re increases and the pressure drop due to the array to the total pressure drop ratio is about 90%. The numerical method used for the Direct Numerical Simulations (DNS) is the same presented by [1]. DNS consisted on changing the spacing between the pin fins and the Re. For a fixed spanwise distance the streamwise distance was varied and for a fixed streamwise distance the spanwise distance was varied for a constant Re. Finally, for a fixed spacing the Re was varied. The numerical results shows that the heat transfer trends to increase as the spacing between the pin fins becomes smaller, and the friction factor decreases as the spacing becomes larger. For a fixed pin configuration, the heat transfer and the friction factor increases with decreasing Re.

Los motores jet modernos llegan a temperaturas de combustión muy altas para alcanzar una eficiencia termal más alta que puede dañar los alabes de las turbinas. El daño en los alabes puede ocurrir debido a la diferencia en temperatura entre el interior y el exterior del alabe causando fluencia en el material y fatiga termal. Para evitar el daño se han diseñado sistemas de enfriamiento eficientes como lo son enfriamiento de película, canales internos y aletas en forma cilíndrica. Este trabajo está enfocado en aletas con forma cilíndrica que por lo general son utilizadas en la parte trasera del alabe. El propósito específico de este trabajo es encontrar la configuración ´optima que promueva la transferencia de calor a una caída de presión mínima. Para encontrar esta configuración ´optima se realizaron experimentos Simulaciones Numéricas Directas. Los experimentos consistieron en determinar el factor de fricción para varios arreglos de aletas que iban desde una fila hasta diez a intervalos de espacio iguales y para un número de Reynolds (Re) variado. Los experimentos demostraron que para un arreglo de más de 6 filas de aletas con forma cilíndrica el factor de fricción decrece a medida que el Re aumenta y que la razón de caída depresión debido al arreglo en términos de la caída total es aproximadamente 90%. El método utilizado para realizar las simulaciones numéricas directas es el mismo presentado en [1]. Las simulaciones consistieron en cambiar el espacio entre las aletas y variar el Re. Para una distancia a lo ancho fija se varió la distancia paralela al flujo y para una distancia paralela al flujo fija se varió el espacio a lo ancho. Finalmente, para un espacio fijo se varió el Re. Los resultados numéricos muestran que la transferencia de calor tiende a aumentar a medida que el espacio entre las aletas cilíndricas se hace más pequeño y el factor de fricción disminuye a medida que el espacio incrementa para el mismo Re. Para una configuración fija la transferencia de calor y el factor de fricción aumenta cuando el Re decrece.