بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به مطالعه عددی خنک کاری لایه ای حول یک پره توربین گاز با استفاده از رهیافت میانگین گیری جزئی از معادلات ناویر استوکس - پنس - 1 که یکی از موفق ترین رهیافت های شبیه سازی گردابه های بسیار بزرگ - وی – ال – ای - اس - 2 در جریانهای آشفته می باشد، پرداخته شده است. جهت بررسی دقیق جریان، مدل سازی به صورت سه بعدی حول هندسه پره توربین گاز - ایرفویل با در نظر گرفتن سوراخ های خنک کاری - انجام شده و دمای سیال ورودی و دمای سطح پره به ترتیب 409/5 درجه سانتیگراد و 297/7 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شده است.
عدد رینولدز جریان ورودی 8/42 X 105 می باشد. جریان ورودی به صورت کاملا آشفته میباشد و شدت توربلانسی آن 0/052 تنظیم شده و ضمنا از اثرات جریان های ثانویه در بالا و پایین پره چشم پوشی شده است. برای حل عددی معادلات از نرم افزار فلوئنت3 استفاده شده و معادلات میانگین گیری شده جزئی ناویر-استوکس با استفاده یو – دی – اف4 به نرم افزار فلوئنت اعمال شده است.
نتایج بدست آمده از روش پنس با نتایج تجربی موجود و نتایج عددی روش های دو معادله ای k-ω SST، k-ω و k-ϵ مقایسه شده که نشان میدهد روش پنس تطابق قابل قبولی با نتایج تجربی داشته و همچنین نسبت به روش های k-ω و k-ϵ دقیق تر است.
-1 مقدمه
یکی از چالش های بزرگ مهندسین ومحققان، افزایش راندمان و بهینه سازی توربو ماشین ها از جمله توربین های گاز میباشد که نقش بسیار موثری را در تولید توان در نیروگا ههای حرارتی و صنایع نفت و گاز و نیروی پیشرانش در موتور هواپیما بازی می کنند. از آنجا که افزایش دمای گاز ورودی به توربین باعث افزایش راندمان آن می شود، لذا محققان تلاش زیادی برای رسیدن به دماهای بالاتر گاز ورودی به توربین ها انجام میدهند.
از سوی دیگر، افزایش دمای گاز ورودی به توربین مشکلاتی را نیز موجب می شود که مهمترین آنها این است که فلزات یا آلیاژ هایی که در ساختن پره توربین ها به کار می روند توان مقاومت در این دماهای بالا را نخواهند داشت. یکی از راه هایی که محققان جهت مقابله با این مشکل بکار می برند استفاده از روش خنککاری لایه ای می باشد که در آن سوراخ هایی روی لبه حمله ایرفویل تعبیه می نمایند که هوای خروجی از قسمت انتهایی کمپرسور از طریق مجراهایی که در ریشه پره های ردیف های اولیه توربین قرار دارد به سمت این سوراخها هدایت شده و از این سوراخها به بیرون دمیده می شود.
این دمش هوای خنک کننده یک لایه محافظ بر روی پره توربین تشکیل می دهد که از برخورد مستقیم هوای داغ با پره ها جلوگیری مینماید .که نتیجه این شیوه خنک کاری، قابلیت تحمل دماهای بالاتر توسط پره ها خواهد بود. وجود ساختارهای گردابه ای متعدد و البته پیچیده- ای که در جریان حول پره های توربین وجود دارد، سبب می شود که جریان آشفته حاصل بشدت ناپایا و غیرایزوتروپ باشد. بنابراین، کیفیت شبیه سازی آشفتگی در این مسئله برای تحلیل های عددی از اهمیت فوق العاده ای برخوردار خواهد بود.
کامچی و آرتز[1] 5 اثر خنک کاری لایه ای را روی انتقال حرارت در لبه حمله یک پره توربین گاز فشار بالا را به روش تجربی مطالعه نموده اند. در آزمایش ایشان اختلاف دمای جریان ورودی نسبت به دیواره، عدد رینولدز و عدد ماخ را مطابق شرایط واقعی انتخاب نموده اند و به بررسی تاثیرات نرخ جریان هوای خنک کاری به جریان ورودی و میزان انتقال حرارت پرداخته- اند. نتایج کمی اندازه گیری انتقال حرارت نشان می دهد گسترش لایه مرزی در پایین دست جریان تحت تاثیر سوراخ های خنک کاری روی پره قرار میگیرد، حتی اگر جریان خنک کاری از این سوراخ ها خارج نشود.
گرگ و ریگبی[2] 6 به بررسی فیزیک داخل و اطراف سوراخ ها ی خنک کاری روی پره توربین گاز پرداخته اند. در این مطالعه عدد از مدل سازی آشفتگی k-ω ویلکاکس7 استفاده شده است که نتایج تحقیق آنها نشان می دهد که ساختار گردابه ها بدون استفاده از مدل سازی های جریان آشفته در رینولدزهای پایین، قابل رصد کردن نخواهد بود.
طیبی رهنی و همکاران[3]8 به بررسی خنک کاری لایه ای به روش مدل سازی گردابه های بزرگ9 ال- ای-اس با استفاده از مدل دینامیکی مقیاس زیر شبکه مدل سازی اسماگورینسکی10 پرداخته اند. در این پژوهش نرخ جریان خنک کاری 0/5 در نظر گرفته شده است و راستای عبور جریان در جهت X می باشد که نتایج در مختصات های مختلف 5 - ،3،1، - X/D= 0 وZ/D=0 مورد بررسی قرار گرفته است.
نتیجه تحقیقات آنها نشان میدهد که مدل دینامیکی بکار رفته برای مدل سازی ال-ای-اس جریان آشفته با معادلات انتقال اسکالر و در هندسه های پیچیده بسیار قابل استفاده است. لاکشیمپاتی و گریماجی[4]11 در سال 2004 جریان حول استوانه را با استفاده از روش پنس کی-اپسیلون بررسی کردند که نتایج تحقیق آنها مطابقت قابل قبولی در مقایسه با نتایج بدست آمده از روش های تجربی و مدل سازی های انجام شده با استفاده از روش ال – ای – اس داشتند. همچنین با کوچکتر کردن fk می توان مقیاس های ناپایا و سه بعدی را هر چه بیشتر و بهتر رصد نمود.
لاکشیمپاتی و گریماجی در سال [5] 2009 به بررسی جریان حول استوانه با استفاده از مدل سازی پنس کی-امگا پرداخته و نتایج بدست آمده را با نتایج پنس کی-اپسیلون مقایسه کردند. نتایج نشان میدهد که روش پنس کی–امگا در نزدیک دیواره نتایج بهتری را در مقایسه با مدل سازی پنس کی-اپسیلون بدست می دهد.
-2 جریان آشفته و معادلات حاکم بر روش پنس
سه روش اصلی که برای محاسبه جریان های آشفته استفاده می شوند عبارتند از: شبیه سازی عددی مستقیم - دی–ان-اس - 12 ، شبیه سازی گردابه های بزرگ - ال–ای-اس - 13 و رهیافت آماری بر پایه معادلات ناویر– استوکس میانگین گیری شده رینولدز - رنس - .14 در دهه های اخیر نیز روش های جدیدی که مابین روش های فوق طبقه بندی میگردد بسیار مورد توجه قرار گرفته است که یک از این روش ها "شبیه سازی گردابه های بسیار بزرگ - وی-ال-ای–اس - "15 میباشد. هر کدام از روش های فوق با توجه به نحوه حل معادلات ناویر-استوکس در طیف انرژی آشفته که در شکل1 نشان داده شده، طبقه بندی می گردند.
