بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش انتقال حرارت و افت فشار در دو مسیر کانال مستطیلی دارای دنده V شکل با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی شبیه سازی شد. سطح مقطع کانال 25.4×12.7 mm با نسبت ابعاد کانال - W:H - 2:1 و قطر هیدرولیکی کانال ℎ = 16.93 میباشد. هر دو سطح حمله و فرار آجدار میباشد نسبت گام به ارتفاع دنده، P/e=10 و ابعاد دندههای V شکل 1.59 × 1.59 mm 45میباشد. عدد رینولدز جریان هوای ورودی به کانال -10000 -5000 25000 و40000 میباشد. از مدل Standard k- با توابع دیوار پیشرفته جهت مدلسازی جریان مغشوش استفاده شد. نتایج نشان میدهد که سطح آجدار نسبت انتقال حرارت بالاتری را نسبت به سطح صاف ارائه مینماید. نتایج نشان میدهدکه برای هر دو مورد کانال صاف و آجدار با افزایش عدد رینولدز افزایش انتقال حرارت و عملکرد حرارتی کاهش و نسبت ضریب اصطکاک افزایش مییابد. با وجود بالاتر بودن نسبت عدد ناسلت در هر دو مسیر برای کانال آجدار نسبت به کانال صاف نتایج نشان میدهد که توزیع انتقال حرارت در کانال صاف یکنواختر میباشد.
کلمات کلیدی: افزایش انتقال حرارت، خنککاری داخلی، پره توربین، کانال آجدار، عملکرد حرارتی
-1 مقدمه
صنعت توربین گاز همیشه به دنبال افزایش راندمان حرارتی توربین گاز است. یکی از راهها افزایش دمای ورودی به توربین است. با این حال افزایش دمای عامل منجر به مشکلات عمدهای میشود. دمای ذوب مواد به مراتب کمتر از درجه حرارت عامل طراحی شده برای توربین گاز است. علاوه بر آن تغییرات سریع مکانی درجه حرارت در داخل پره باعث ایجاد تنشهای حرارتی میشود که بسیار خطرناک است. به منظور مقابله با این مشکل خنککاری پرههای توربین ضروری است. در توربینهای گاز مدرن امروزی، پرهها از ترکیب روشهای مختلف خنککاری سرد میشوند. در مجرای خنککاری داخلی پره توربین از دندههای مغشوش کننده جریان به منظور افزایش انتقال حرارت استفاده میشود.
حضور دنده تلاطم جریان را افزایش میدهد و با ایجاد جریانهای ثانویه خنککننده را به سمت دیوار حرکت میدهد. تقویت انتقال حرارت در مجرای داخلی مستطیل شکل دارای دنده به عوامل مختلفی مانند نسبت ابعاد کانال، هندسه دنده، زاویه حمله ، گام و عدد رینولدز جریان بستگی دارد - هان و همکاران،. - 2013استفاده از دنده مغشوش کننده جریان به منظور افزایش انتقال حرارت باعث افزایش افت فشار در کانال میشود اما با توجه به مطالعات متعدد این امر مقرون به صرفه میباشد - هان و همکاران،. - 1978 مطالعه تجربی اثر دنده مورب در یک کانال با نسبت ابعاد مختلف بر انتقال حرارت و افت فشار نشان داد که با افزایش نسبت ابعاد کانال، ضریب انتقال حرارت کاهش و نسبت ضریب اصطکاک افزایش مییابد - چانگ و همکاران،. - 2015 -
هو و همکاران، - 2009 اثر فاصله دنده زاویه دار با - AR=1:4 - را در سرعت های دورانی متفاوت بررسی کردند، و مشخص شد که P/e=2.5 بالاترین مقدار انتقال حرارت را دارد. دنده های متعامد انتقال حرارت را در مقایسه با کانالهای صاف افزایش میدهند و دندههای زاویه دار عملکرد حرارتی بیشتری نسبت به دندههای متعامد دارند. با این وجود پژوهش در خصوص یافتن بهترین شکل دنده به این نتیجه رسید که دنده V شکل انتقال حرارت بیشتری نسبت به دنده زاویه دار دارد - هان و ژانگ،. - 1992 مطالعه تجربی عملکرد حرارتی دندههای 45 و 60 موازی و دندههای V شکل در یک کانال مربعی نشان داد که دندههای V شکل بیشترین انتقال حرارت در برابر کمترین افت فشار جریان را دارند - هان و همکاران،. - 1991پیش بینی ضرایب انتقال حرارت، درجه حرارت پره و خنککننده در مجرای خنککاری پره توربین دشوار است. پیچیدگی های درگیر در چنین جریانی عبارتند از:
-1 باریک و پیچیده بودن مجرای خنککاری
-2 آشفته بودن جریان
-3 تغییرات مداوم در خنککننده در طی مسیر منجر به تغییر در خواص فیزیکی آن میشود.
بنابراین تجزیه و تحلیل و طراحی مسیر های خنککاری داخلی بسیار تجربی و براساس داده های تجربی است. اما تکنیک های عددی بسیاری در سالهای اخیر توسعه یافتهاند که منجر به کاهش استفاده از روابط تجربی و افزایش دقت پیش بینی گردیدهاند. در مطالعه حاضر با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - انتقال حرارت و افت فشار در یک کانال مستطیلی دو پاس دارای دندههای V شکل 45 درجه شبیه سازی شد.
-2 روش عددی
-1-2 مدلهای هندسی
کانال دو مسیر برای مدل کردن مجرای داخلی یک پره توربینگاز مرسوم است. دو کانال مستطیلی دو مسیر، صاف و دنده دار V شکل با زاویه 45 درجه مورد مطالعه قرار گرفتند. در شکل -1 الف - مدلهای فیزیکی برر سی شده در این پژوهش ن شان داده شده است . سطح مقطع کانال 25.4×12.7 mm با نسبت ابعاد کانال - W:H - 2:1 و قطر هیدرولیکی کانال ℎ = 16.93 میباشد. 152.4 mm از هر مسیر کانال تحت شار حرارتی است. در قسمت دوران 180 کانال، فاصله دیوار خارجی و نوک دیوار داخلی 25.4mm و فاصله دو مسیر از یکدیگر 19.1 mm میباشد. نسبت گام به ارتفاع دنده، P/e=10 و ابعاد دندههای V شکل 1.59 × 1.59 mm 45میباشد. برای برقرار بودن شرایط توسعه یافتگی جریان، کانال دارای یک قسمت عایق به طول 203.16 mm میباشد.
-2-2 معادلات حاکم
معادلات حاکم برای متغیر های مختلف میتواند توسط معادله بقای جرم، معادله مومنتوم و معادله انرژی بیان شود که به شرح زیر است:
3-2 شبکه بندی و فرایند شبیه سازی
تولید شبکه با استفاده از نرم افزار ANSYS Meshing انجام شد. دامنه محاسباتی همانطور که شکل -1 - ب - نشان داده شده است از المانهای Tetrahedron ساخته شده و محاسبات با استفاده از نرم افزار تجاری ANSYS FLUENT انجام
