Reynolds averaged and large eddy simulations of the turbulent flow in a channel with inclined and V-shaped turbulators on the walls

Abstract

Turbine inlet air temperatures may exceed the melting points of the turbine blade material. Proper cooling processes increase turbine blade durability as well as the engine efficiency by allowing higher combustion temperatures and compression ratios. Artificial roughness elements are placed inside the cooling ducts of turbine blades to enhance the heat transfer characteristics of the cooling duct, making the turbine blade more resistant to incoming hot gases. Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) are carried out to study the turbulent flow inside a square channel with transverse ribs and V-shaped Turbulators on both walls. A parametric study has been performed varying the inclination angle of the ribs α = 900, 750, 600, and 450 degrees with respect to the streamwise flow direction while the pitch to height ratio remains constant at p/e=15. The height of the ribs is e/h=0.1 where h is the channel’s half height. The objective is to find the configuration leading to the maximum heat transfer with the lowest drag. Transverse square bars on the wall induce a spanwise vortex while for V-shaped turbulators a vortex inclined with respect to the streamwise direction can be observed. These vortices increase the heat and mass transfer between the wall and the overlying flow without a significant increase in wetted area. The main mechanism is based on two strong ejections at the sidewalls of the channel and one inward stream of fluid at the center of the channel. This mechanism redistributes the kinetic energy in the spanwise and normal directions, determining a more isotropic flow. The roughness on the wall increases the total drag of the square channel due to the pressure drag component. Most of the drag is due to the pressure contribution, the friction being negligible. The V-shaped turbulators present a higher form drag when compared to the transverse ribs because of the increase pressure difference(∆P) between the leading and trailing edge of the roughness geometry. Large Eddy Simulation (LES) of the case presenting the maximum heat transfer is being performed. The results obtained with the LES simulation showed an increase in the heat transfer characteristics of the channel when compared with the RANS simulations.

La temperatura del aire entrando a una turbina de gas puede exceder el valor del punto de fusión del material de las aspas de la turbina, poniendo en riesgo la durabilidad y la integridad de la turbina. Es necesario un sistema apropiado de enfriamiento para poder aumentar la durabilidad de la turbina y además la eficiencia termal del sistema mediante temperaturas de operación más altas. Elementos de rugosidad artificial son colocados dentro de los canales de enfriamiento de dichas turbinas para mejorar las características de enfriamiento de dichos canales, aumentando la resistividad de los materiales de las aspas ante los gases calientes resultantes del proceso de combustión. ”Reynolds Averaged Navier Stokes” o RANS es utilizado para estudiar el flujo turbulento dentro de un canal cuadrado con geometrías cuadradas transversales y en forma de V en la pared superior e inferior de dicho canal. Se ha realizado un estudio paramétrico variando el ángulo de inclinación de las rugosidades con respecto al flujo en la dirección de corriente llamado α en los valores de 90, 75, 60 y 45 grados respectivamente. Los parámetros de estudio son pe= 15 y kh= 0.1, donde p es la distancia entre los elementos, e es la altura de los elementos y h es la mitad de la altura del canal de enfriamiento. El objetivo es encontrar aquella configuración que aumente la transferencia de calor al máximo con el mínimo aumento en la fuerza de arrastre. Las geometrías cuadradas transversales inducen una recirculación en la dirección transversal del canal mientras que las rugosidades de forma V inducen la formación de una recirculación inclinada en la dirección de corriente del flujo. Estas recirculaciones promueven la interacción entre el flujo caliente que está cercano a las paredes y el flujo promedio que está más hacia el centro del canal de enfriamiento y cuya temperatura es en promedio más baja y todo esto se logra con un aumento mínimo en el área mojada de las rugosidades. El mecanismo principal de enfriamiento en la rugosidad de tipo V son dos fuertes expulsiones de flujo en la dirección normal que ocurren en el área cercana a las paredes laterales del canal dentro de la cavidad. Este mecanismo redistribuye la energía cinética del flujo en la dirección normal y transversal, resultando así en un flujo más isotrópico. El mayor componente de la fuerza de arrastre es arrastre por presión, mientras que el arrastre a causa de la fricción es despreciable. La rugosidad de forma V muestra un valor superior del arrastre por presión debido a un aumento en la diferencia en presión entre la parte frontal y trasera de la geometría cuando se comparan con las rugosidades cuadradas. ”Large Eddy Simulation” o LES se realizó al caso de V α = 450 debido a que este fue el caso que presentó el valor mayor de transferencia de calor. Los resultados obtenidos con el LES muestran un aumento en la capacidad de transferencia de calor del canal turbulento cuando se compara con las simulaciones de tipo RANS.