Численное исследование теплообмена в системах импактных струй при установке интенсификаторов различной формы

Об авторах:

Седлов Андрей Анатольевич, аспирант кафедры «Газотурбинные и нетрадиционные энергоустановки», Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана; andrey.sedlov@yahoo.com

Байбузенко Игорь Николаевич, аспирант кафедры «Газотурбинные и нетрадиционные энергоустановки», Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана; igor.baibuzenko@gmail.com

Иванов Вадим Леонидович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Газотурбинные и нетрадиционные энергоустановки», Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана; vadimLivanov@yandex.ru

Аннотация:

Проведено численное исследование характеристик теплообмена и потерь давления для различного рода интенсификаторов: цилиндрических, призматических (в сечении ромб, капля) штырьков в широком диапазоне геометрических параметров и числах Рейнольдса от 10⁴ до 3·10⁴. В отличие от типовых экспериментальных условий, в данной работе исследование было проведено для характерных условий газотурбинного двигателя в сопряженной постановке (воздух-интенсификаторы), что позволило учесть эффект развития теплообменной поверхности и обобщить полученные данные.

Численное моделирование было проведено при использовании коммерческого программного комплекса ANSYS Fluent 14.0, основанного на конечно-объемном методе решения уравнений гидрогазодинамики и теплообмена. Система уравнений, включающая уравнения Навье–Стокса, энергии и неразрывности, осредненных по Рейнольдсу, решалась в стационарной постановке с учетом сжимаемости и неизотермичности течения.

На основании проведенной валидации согласно критериальным зависимостям для замыкания основной системы уравнений была выбрана модель турбулентности realizable k-ε, сопряженная с моделью Вольфштейна в пристеночной области.

Проведенный анализ показал возможность интенсификации теплообмена на 100-150% в среднем по ряду отверстий при общем уровне интенсификации для 10 рассмотренных рядов в 50% при приведении к гладкой поверхности натекания. Установка крупных интенсификаторов с D/d > 1,0 позволяет полностью защитить натекающую струю от негативного воздействия сносящего потока и одновременно значительно развить поверхность теплообмена, увеличивая эффективный теплосъем с поверхности охлаждения.

Установка крупных интенсификаторов приводит также к значительному перераспределению интенсивности теплообмена вдоль поверхности натекания, приводя к уменьшению до 30% интенсивности теплообмена в начальных рядах, что может привести к локальному перегреву охлаждаемой детали и должно четко учитываться при проектировании высоконагруженных охлаждаемых элементов турбин.

Список литературы:

1. Седлов А. А. Численное моделирование процессов газодинамики и теплообмена при струйном натекании на поверхность / Седлов А. А., В. Л. Иванов // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2012. № 4. С. 75-78.
2. Юдаев Б. Н. Техническая термодинамика. Теплопередача: Учеб. для неэнергетич. спец. втузов / Б. Н. Юдаев. М.: Высш. Шк., 1988. 479 с.: ил.
3. Abubakar M. E.-J. Impingement Jet Cooling with Ribs and Pin Fin Obstacles in Co-flow Configurations: Conjugate Heat Transfer Computational Fluid Dynamic Predictions / M. E.-J. Abubakar et al. // Proceedings of ASME Turbo Expo 2016. ASME Paper GT2016-57021. 2016.
4. Andrews G. E. Enhanced Impingement Heat Transfer: Comparison of Co-flow and Cross-flow with Rib Turbulators / G. E. Andrews et al. // Proceedings of IGTC2003 Tokyo TS-074, 8th International Gas Turbine Congress Tokyo, November 2-7, 2003.
5. Annerfeldt M. O. Experimental Investigation of Impingement Cooling with Turbulators or Surface Enlarging Elements / M. O. Annerfeldt. ASME paper 2001-GT-0149, 2001.
6. Barata J. M. M. Fountain Flows Produced by Multiple Impinging Jets in a Crossflow / J. M. M. Barata // AIAA Journal. 1996. No 34(12). Pp. 2523-2530.
7. Behnia M. Accurate Modeling of Impingement Jet Heat Transfer / M. Behnia, S. Parneix, P. Durbin // Center for Turbulence Research, Annual Research Briefs. 1997.
8. Bouchez J. P. Impingement Cooling From a Circular Jet in a Cross Flow / J. P. Bouchez, R. J. Goldstein // International Journal of Heat and Mass Transfer. No 18. Pp. 719-730.
9. Buchlin J. M. Convective Heat Transfer in Impinging-Gas-Jet Systems / J. M. Buchlin // von Karman Institute for Fluid Dynamics Lecture Series, 2000-03. 2000. Pp.1-33
10. Chang H. Experimental investigation on Impingement Heat Transfer from Rib Roughened Surface within Arrays of Circular Jet: Effect of Geometric Parameters / H. Chang et al. // Proceedings of ASME Turbo Expo 98. ASME Paper 98-GT-208. 1998.
11. Chang S. W. Heat Transfer of Impinging Jet-array over Convex Dimpled Surface with Application to Cooling of Combustion Chamber of Gas Turbine Engine / S. W. Chang et al. // Proceedings of National Kaohsiung Marine University. URL: http://mail.nkmu.edu.tw
12. Colucci D. Effect of Nozzle Geometry on Local Convective Heat Transfer to a Confined Impinging Air Jet / D. Colucci, R. Viskanta // Experimental Thermal and Fluid Science. 1996. No 13. Pp. 71-80. DOI: 10.1016/0894-1777(96)00015-5
13. Craft T. Impinging Jet Studies for Turbulent Model Assessment-2. An Examination of the Performance of Four Turbulence Models / T. Craft, H. Iacovides, L. Graham, B. Launder // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1993. No 36(10). Pp. 2685-2697.
14. Ekkard S. V. Jet Impingement Heat Transfer on Dimpled Target Surfaces / S. V. Ekkard, D. Kontrovitz // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2002. No 23. Pp. 22-28. DOI: 10.1016/S0142-727X(01)00139-4
15. Florschuetz L. W. Streamwise Flow and Heat Transfer Distributions for Jet Array Impingement with Crossflow / L. W. Florschuetz, C. R. Truman, D. E. Metzger // Journal of Heat Transfer. 1981. No 103. Pp. 337-342. DOI: 10.1115/1.3244463
16. Gao N. Heat Transfer to Impinging Round Jets with Triangular Tabs / N. Gao, H. Sun, D. Ewing // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2003. No 46. Pp. 2557-2569. DOI: 10.1016/S0017-9310(03)00034-6
17. Goldstein R. J. Impingement of a Circular Jet with and without Cross Flow / R. J. Goldstein, A. I. Behbahani // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1982. No 25. Pp. 1377-1382. DOI: 10.1016/0017-9310(82)90131-4
18. Han B. Aero-Thermal Performance of Internal Cooling Systems in Turbomachines / B. Han, R. Goldstein // von Karman Institute for Fluid Dynamics Lecture Series, 2000-03. 2000. Pp.1-57.
19. Han B. Jet-Impingement Heat Transfer in Gas Turbine Systems / B. Han, R. Goldstein // Annals of the New-York Academy of Science. 2001. No 934(1). Pp. 147-161.
20. Hofman H. M. Calculations of Steady and Pulsating Impinging Jets — An Assessment of 13 Widely used Turbulence Models / H. M. Hofman, R. Kaiser, M. Kind, H. Martin // Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals. 2007. No 51(6). Pp. 565-583.
21. Hoglund H. Experimental Investigation of Impingement Cooling under a Staggered Array of Circular Jets / H. Hoglund. Thesis Work at the Department of Energy Technology Royal Institute of Technology, KTH. 1999.
22. Katti V. Experimental Study and Theoretical Analysis of Local Heat Transfer Distribution Between Smooth Flat Surface and Impinging Air Jet from a Circular Straight Pipe Nozzle / V. Katti, S. Prabhu // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2008. No 51(17-18). Pp. 4480-4495.
23. Kercher D. M. Heat Transfer by a Square Array of Round Air Jets Impinging Perpendicular to a Flat Surface Including the Effect of Spent Air / D. M. Kercher, , W. Tabakoff // ASME Journal of Engineering for Power. 1970. No 92. Pp. 73-82.
24. Knowles K. Ground vortex Formed by Impinging Jets in Cross Flow / K. Knowles, D. Bray // Journal of Aircraft. 1993. No 30(6). Pp. 872-878.
25. Lee J. Stagnation Region Heat Transfer of a Turbulent Axisymmetric Jet Impingement / J. Lee, S. Lee // Experimental Heat Transfer. 1999. No 12(2). Pp. 137-156.
26. Lee D. H. Turbulent Heat Transfer from a Flat Surface to a Swirling Round Impinging Jet / D. H. Lee, S. Y. Won, Y. T. Kim, Y. S. Chung // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2002. No 45. Pp. 223-227. DOI: 10.1016/S0017-9310(01)00135-1
27. Lytle D. Air jet Impingement Heat Transfer at Low Nozzle Plate Spacings / D. Lytle, B. W. Webb // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1994. No 37. Pp. 1687-1697. DOI: 10.1016/0017-9310(94)90059-0
28. Metzger D. E. Effects of Crossflow on Impingement Heat Transfer / D. E. Metzger, R. J. Korstad // Journal of Engineering for Power. 1972. No 94. Pp. 35-42. DOI: 10.1115/1.3445616
29. Mhetras S. Impingement Heat Transfer from Jet Arrays on turbulated Target Walls at Large Reynolds Numbers / S. Mhetras et al. // Proceedings of ASME Turbo Expo: Power for Land and Sea, San Antonio, Texas, USA, June 3-7, 2013.
30. Obot N. T. Impingement Heat Transfer within Arrays of Circular Jets: Part 1-Effects of Minimum, Intermediate, and Complete Crossflow for Small and Large Spacings / N. T. Obot, T. A. Trabold // Journal of Heat Transfer. 1987. No 109. Pp. 872-879. DOI: 10.1115/1.3248197
31. Son C. An Investigation of the Application of Roughness Elements to Enhance Heat Transfer in an Impingement Cooling System / C. Son et al. // Proceedings of ASME Turbo Expo: Power for Land and Sea. June 6-9, Reno-Tahoe, Nevada, USA, 2005.
32. Spring S. Jet impingement Heat Transfer / S. Spring, B. Weigand // VKI Lecture Series. 2010.
33. Spring S. CFD Heat Transfer Predictions of a Single Circular Jet Impinging with Crossflow / S. Spring, B. Weigand, W. Krebs, M. Hase // Proceeding of 9th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, San Francisco, California, USA, AIAA 2006-3589, 2006.
34. Trabold T. A. Impingement Heat Transfer within Arrays of Circular Jets: Part 2 — Effects of Crossflow in the Presence of Roughness Elements / T. A. Trabold, N. T. Obot // Journal of Turbomachinery. 1987. No 109(4). Pp. 594-601. DOI: 10.1115/1.3262153
35. Wan C. Numerical Investigation of Impingement Heat transfer on a Flat and Square Pin-Fin Roughened Plates / C. Wan et al. // Proceedings of ASME Turbo Expo: Power for Land and Sea, San Antonio, Texas, USA, June 3-7, 2013.
36. Yan X. Heat Transfer Measurements from a Flat Plate to a Swirling Impinging Jets / X. Yan, N. Saniel // Proceedings of 11th International Heat Transfer Conference, Kvonju, Korea, 1998.