تحليل خنك‌كاري لايه‌اي لبه جلويي پره توربين مدل توسط دو رهيافت DES وLES

Investigation of film cooling on model turbine blade leading edge using DES and LES approaches

در مقاله حاضر جريان آشفته خنك‌كاري لايه‌اي بر لبه جلويي پره توربين مدل توسط دو نگرش طول مقياس حل شونده در مدل‌سازي جريان آشفته مورد مطالعه و تحليل قرار مي‌گيرد. در نگرش اول از رهيافت شبيه‌سازي گردابه‌هاي جدا شده (DES) بر پايه مدل اسپالارت- آلماراز و در نگرش دوم از رهيافت شبيه‌سازي گردابه‌هاي بزرگ (LES) استفاده مي‌شود. نتايج به‌دست آمده حاكي از آن است كه رهيافت DES به دليل ذات تركيبي آن و استفاده از مدل RANS در نزديك ديواره، نوسانات در راستاي عرضي جريان در داخل لوله خنك‌كننده را كمتر پيش‌بيني مي‌كند. در نتيجه، جريان خنك‌كننده با آشفتگي كمتري وارد جريان اصلي مي‌شود. همچنين در نزديك ديواره رهيافت DES توزيع عرضي انرژي جنبشي آشفته را كمتر و مقدار شار حرارتي آشفته را بيشتر پيش‌بيني مي‌نمايد. بنابراين، اثربخشي آدياباتيك بر لبه جلويي پره توربين در رهيافت DES نسبت به رهيافت LES و نتايج تجربي كمتر پيش‌بيني مي‌شود. علاوه‌بر اين، نتايج حاكي از آن است كه اختلاط بين جت خنك‌كننده و سيال داغ جريان اصلي در رهيافت DES در مقايسه با رهيافت LES كمتر تخمين زده مي‌شود. در مجموع مي‌توان اين‌گونه استنباط كرد كه اگرچه رهيافت DES در ناحيه دور از ديواره نتايج قابل قبولي را ارايه مي‌كند، ولي در نزديك ديواره در پيش‌بيني صحيح مشخصات توربولانسي جريان با مشكل مواجه است. علاوه‌بر اين مزيت اصلي رهيافت DES در مقايسه با رهيافت LES كاهش 40 درصدي هزينه‌ محاسباتي آن در اين كاربرد است كه مي‌تواند استفاده از اين روش را توجيه كند.

The present paper investigates turbulent flow of film cooling on model turbine blade leading edge using two scale-resolving attitude of turbulent flow modeling. In the first attitude the detached eddy simulation (DES) approach based on Spalart-Allmaras and in the second attitude the large eddy simulation (LES) approach will be used. Results show that the DES approach due to its hybrid nature and applying RANS models in near walls, predicts the Fluctuations of spanwise direction in coolant pipe lower. As a result, the coolant flow imports to the main flow with lower turbulence. Also DES approach predicts less turbulent kinetic energy lateral distribution and further turbulent heat flux in near walls. So, in DES approach the adiabatic effectiveness on turbine blade leading edge predicted lower than LES approach and experimental data. In addition, results show that mixture of coolant jet and mainstream hot gas in DES approach is estimated lower than LES approach. In total, it can be deducted that although DES approach provides acceptable results in far wall region, but in near wall region it has problems in correct prediction of turbulence Specifications. In addition, the main advantage of DES approach in comparison with LES approach is 40% reduction of computational cost that can explain using this approach.