Eğrisel yüzeyler üzerinde film soğutmanın sayısal incelenmesi

Benzer belgeler
SİLİNDİRİK ENJEKSİYON DELİKLERİNDE FİLM SOĞUTMA İNCELEMESİ

DİKDÖRTGEN DELİKLİ DÜZ LEVHA ÜZERİNDE FİLM SOĞUTMANIN DENEYSEL İNCELENMESİ

A NUMERICAL INVESTIGATION OF AIR FLOW IN AN EMPTY CHAMBER WITH PERFORATED DIFFUSER DESIGNED FOR AIR HANDLING UNITS

Yrd. Doç. Dr. Tolga DEMİRCAN. Akışkanlar dinamiğinde deneysel yöntemler

KLİMA SANTRALLERİNDEKİ BOŞ HÜCRELER İÇİN TASARLANAN BİR ANEMOSTAT TİP DİFÜZÖRÜN AKIŞ ANALİZİ

ÇEVRESEL TEST HİZMETLERİ 2.ENVIRONMENTAL TESTS

MALZEME Ürün kasası 1 mm DKP sacdan sıvama yöntemiyle imal edilirken, kanatlar ise galvaniz veya DKP sacdan imal edilmektedir.

HHO HÜCRESİNİN PERFORMANSININ DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ. Konya, Türkiye,

ÇAPRAZ AKıŞLı RÜZGÂR TÜRBINI BAŞARıMıNıN İNCELENMESI

YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ UYGULAMALI MÜHENDİSLİK MODELLEMESİ

Abs tract: Key Words: Meral ÖZEL Nesrin İLGİN

Radyatör Arkalarına Yerleştirilen Yansıtıcı Yüzeylerin Radyatör Etkisi

MALZEME Ürün boğazı 1 mm DKP sacdan sıvama yöntemiyle, ürün kasa ve kanatları 1 mm DKP sacdan imal edilmektedir.

ANOVA MÜHENDİSLİK LTD. ŞTİ.

LİNEER MENFEZ Linear Grille. 30 bükümlü. HLM-K: Lineer menfez kontrol kapağı, kanatlar 17 veya 30 bükümlü.

Mekân İçerisindeki Radyatörlerin Etrafındaki Engellere Göre Isıl Veriminin İncelenmesi

RETScreen International ve ALWIN Yazılımları Kullanılarak Rüzgar Enerji Santrali Proje Analizi

SIVI KRİSTALİN ISI TRANSFERİ UYGULAMALARINDA KULLANILMASI

MALZEME Ekstrüzyon yöntemiyle üretilmiş alüminyum profilden mamul çerçeve ve kanatlar.

SWİRL DİFÜZÖR Swirl Diffusers. Kare Ön Tablalı Swirl Difüzör. HSWD-B: Ayarlanabilir, Kare Kanatlı ve Kare Ön Tablalı Swirl Difüzör.

Dairesel Kesitli 90º Dirsekteki Akışın Üç Boyutlu Sayısal İncelenmesi

Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri II Dersi Grup Adı: Sıvı Seviye Kontrol Deneyi.../..

DİKEY EKSENLİ DARRİEUS TİPİ SU TÜRBİNLERİNİN HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ İLE ANALİZİ

Lineer Menfezler Linear Grilles

Unlike analytical solutions, numerical methods have an error range. In addition to this

Orifis, Nozul ve Venturi Tip Akışölçerler

ÇİNKO KATKILI ANTİBAKTERİYEL ÖZELLİKTE HİDROKSİAPATİT ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU

RÜZGAR YÜKÜNÜN BİR TİCARİ ARAÇ SERVİS KAPISINA OLAN ETKİLERİNİN İNCELENMESİ

İÇİNDE OTURAN İNSAN OLAN RADYATÖRLE ISITILAN BİR ODADAKİ ISIL KONFOR, AKIŞ VE ISI TRANSFERİNİN ÜÇ BOYUTLU SAYISAL ANALİZİ

Yüz Tanımaya Dayalı Uygulamalar. (Özet)

Tek ve İki Bina Etrafındaki Rüzgar Etkilerinin Sayısal Olarak İncelenmesi

SANTRİFÜJ POMPANIN KANATLI VE KANATSIZ DİFÜZÖRÜNDEKİ AKIŞIN SAYISAL İNCELENMESİ

Derin Çekme İşlemi Üzerine Kalıp Geometrisinin Etkisinin Sonlu Elemanlar Analizi

ÖZGEÇMİŞ. Derece Alan Üniversite Yıl. Teknik Eğitim Fakültesi, Makina Eğitimi. Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Eğitimi A.B.

BİR OFİS ODASINDAKİ TERMAL AKIŞIN KIŞ ŞARTLARINDA SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ

UZAYSAL VE DOLU GÖVDELİ AŞIKLARIN ÇELİK ÇATI AĞIRLIĞINA ETKİSİNİN İNCELENMESİ

ÖZGEÇMİŞ. Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Osmaniye/Türkiye Telefon : /3688 Faks :

Numerical Investigation of the Effect of Needle Tilting Angle on Irrigant Flow Inside the Tooth Root Canal

Yatay Katmanlı Topraklarda Katman Fiziksel Özelliklerinin Toprak Sıcaklığına Etkisi

RANQUE-HILSCH VORTEKS TÜPÜNDE FARKLI GAZLARIN DEĞİŞKEN BASINÇ DEĞERLERİNDE SOĞUTMA PERFORMANSLARININ SAYISAL İNCELENMESİ

HAVA ARAÇLARINDAKİ ELEKTRONİK EKİPMANLARIN SOĞUTULMASINDA KULLANILAN SOĞUTMA SIVILARININ PERFORMANSA BAĞLI SEÇİM KRİTERLERİ

ORANSAL GAZ BRÜLÖRLERİ MODULATED GAS BURNERS

YUVARLAK TAVAN ANEMOSTADI. Round Ceiling Diffuser

İKİ KADEMELİ GAZ BRÜLÖRLERİ TWO STAGE GAS BURNERS

Ti-6Al-4V Alaşımının Katı Parçacık Erozyon Davranışının Deneysel ve Sayısal Olarak İncelenmesi

GERİ BASAMAK AKIŞININ NÜMERİK ANALİZİ

Çok Çarpan Jetli Kanalda Isı Geçişinin Sayısal Modellenmesi

Havalı Güneş Kolektörlerinde Farklı Bağlantı Şekillerinin Isıl Performansa Etkisinin Deneysel Analizi

Abs tract: Key Words: Mustafa Kemal İŞMAN Mehmet Özgün KORUKÇU Bilsay PASTAKKAYA Numan YÜKSEL

T.C. TRAKYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ AŞIRI PLASTİK DEFORMASYON METOTLARININ ALÜMİNYUM ALAŞIMLARININ MEKANİK ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ

İKİ LEVHA ARASINDAKİ LAMİNER AKIŞTA DEĞİŞKEN DUVAR KALINLIĞININ ISI TRANSFERİNE ETKİSİNİN SAYISAL ANALİZİ

TEK KADEMELİ GAZ BRÜLÖRLERİ SINGLE STAGE GAS BURNERS

YARI-KÜRESEL ENGEL KONULAN BİR KANAL İÇERİSİNDE ISI GEÇİŞİ VE AKIŞIN SAYISAL İNCELENMESİ

TERMODİNAMİK ÇALIŞMA SORULARI

Güçlendirme Alternatiflerinin Doğrusal Olmayan Analitik Yöntemlerle İrdelenmesi

BİLECİK ŞEYH EDEBALİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE VE İMALAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

R1234YF SOĞUTUCU AKIŞKANININ FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ İÇİN BASİT EŞİTLİKLER ÖZET ABSTRACT

TOP NAMLU AĞIZ BASKISI TASARIMININ HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ İLE İNCELENMESİ

BİNA DIŞ YÜZEYLERİNİN GÜNEŞ IŞINIMINI YUTMA ORANLARININ ISI AKISI AÇISINDAN ARAŞTIRILMASI

BVCD DÝKDÖRTGEN HAVA DAMPERÝ ( BVCD) RECTANGULAR VOLUME CONTROL DAMPER

DALGIÇ POMPA TASARIM VE ANALİZİ

YAPILARDA BURULMA DÜZENSİZLİĞİ

FLUID MECHANICS PRESSURE AND MOMENTUM FORCES A-PRESSURE FORCES. Example

DÜZ FLAPLI POZİTİF KAMBURA SAHİP NACA 4412 KANAT PROFİLİNİN AERODİNAMİK PERFORMANSININ BİLGİSAYAR DESTEKLİ ANALİZİ

Key words: Double-glazed windows, triple-glazed windows, optimum air-layer thickness

PİEZOELEKTRİK YAMALARIN AKILLI BİR KİRİŞİN TİTREŞİM ÖZELLİKLERİNİN BULUNMASINDA ALGILAYICI OLARAK KULLANILMASI ABSTRACT

TURBOPROP BİR MOTORA AİT EGZOZ MODÜLÜNÜN HESAPLAMALI VE DENEYSEL ANALİZLERİ

İÇİNDEKİLER. Sayfa ÖNSÖZ... II ÖZET... VIII SUMMARY...IX ŞEKİL LİSTESİ... X TABLO LİSTESİ...XIX SEMBOL LİSTESİ...XX

Pin-Kanatçık, Plaka-Kanatçık ve Plaka-Pin-Kanatçıkların Soğutma Performanslarının Sayısal Metod Kullanılarak Karşılaştırılması

Tabandan Isıtılan Kapalı bir Hacim İçerisine Yerleştirilen Açılı Plakanın Doğal Taşınım ısı Transferine Etkisi

SICAKLIK VE ENTALP KONTROLLÜ SERBEST SO UTMA UYGULAMALARININ KAR ILA TIRILMASI

63A - 125A CEE NORM FİŞ & PRİZLER 63A - 125A CEE NORM PLUGS & SOCKETS. connectors

7. BÖLÜMLE İLGİLİ ÖRNEK SORULAR

GRAVİTE-MANYETİK VERİLERİNE ÇEŞİTLİ MODELLERLE YAKLAŞIM AN APPROACH FOR THE GRAVITY-MAGNETIC DATA WITH VARIOUS MODELS

4. HAFTA BLM323 SAYISAL ANALİZ. Okt. Yasin ORTAKCI.

BİR OFİS İÇİN TERMAL KONFOR ANALİZİNİN HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ YÖNTEMİ İLE MODELLENMESİ VE SAYISAL ÇÖZÜMÜ

Akış kanalı genişliğinin pem tipi yakıt hücresi performansına etkisinin incelenmesi

BİLECİK ŞEYH EDEBALİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE VE İMALAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ Ford Otosan İhsaniye Otomotiv MYO

RADYATÖR FAN TASARIMI. Ahmet Açıkgöz, Mustafa Ö. Gelişli, Emre Öztürk. ANOVA Mühendislik.

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)

JET MOTORLARINDA UYGULANAN EFÜZYON FİLM SOĞUTMA AKIŞ KARAKTERİSTİKLERİNİN PIV YÖNTEMİYLE İNCELENMESİ

BETONARME KESİT DAVRANIŞINDA EKSENEL YÜK, MALZEME MODELİ VE SARGI DONATISI ORANININ ETKİSİ

KRİTİK YALITIM YARIÇAPI ve KANATLI YÜZEYLERDEN ISI TRANSFERİ İLE İLGİLİ ÖRNEK PROBLEMLER

HELİSEL BORULARDA AKIŞ VE ISI TRANSFERİNİN İNCELENMESİ. Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makina Eğitimi Bölümü, 23119, Elazığ

DUBLEKS EV GEOMETRİSİNE SAHİP KAPALI ORTAMLARDA FARKLI ISITMA YÖNTEMLERİNİN DOĞAL TAŞINIMLA ISI TRANSFERİ ÜZERİNE ETKİLERİNİN SAYISAL ANALİZİ

aircoolers Evaporatörler Aircoolers TAVAN TİPİ EVAPORATÖRLER CEILING TYPE AIR COOLERS DUVAR TİPİ EVAPORATÖRLER WALL TYPE AIR COOLERS

SLA.33b SUCTION LINE ACCUMULATORS

Abs tract: Key Words: Meral ÖZEL Serhat ŞENGÜR

SES-ÜSTÜ KANARD KONTROLLÜ FÜZELER İÇİN SERBEST DÖNEN KUYRUĞUN ŞEKİL OPTİMİZASYONU

T.C. İZMİR KÂTİP ÇELEBİ ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ KOORDİNASYON BİRİMİ

RÜZGAR TÜNELĐNDEKĐ KANAT PROFĐLĐNĐN DĐKEY HAREKETĐNĐN MODELLENMESĐ

DDC DUMAN DAMPERİ (EN DK.)

WEEK 4 BLM323 NUMERIC ANALYSIS. Okt. Yasin ORTAKCI.

ÖZGEÇMİŞ VE ESERLER LİSTESİ

Performans Tabloları Yalınkat Camlar

XII. ULUSAL TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ ERGİN BAYRAK, NACİ ŞAHİN Nisan 2015, İZMİR

mühendislikdergisi Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mart 2014 bir model

ÜÇ GEÇİŞLİ BİR KANALDA ISI TRANSFERİNİN DENEYSEL ARAŞTIRILMASI

HAVALANDIRMALI BİR KANALDAKİ ELEKTRONİK ELEMANIN DOĞAL KONVEKSİYONLA SOĞUTULMASININ SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ

Transkript:

itüdergisi/d mühendislik Cilt:5, Sayı:5, 15-22 Ekim 2006 Eğrisel yüzeyler üzerinde film soğutmanın sayısal incelenmesi İbrahim KOÇ *, Cem PARMAKSIZOĞLU İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Enerji Programı, 34469, Ayazağa, İstanbul Özet Gaz türbin kanatlarının soğutulmasında film soğutması yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu makalede, dört farklı eğrisel yüzey ile bir düz yüzey üzerinde film soğutma etkenliği sayısal olarak incelenmiştir. Modeller bir sırada onbir enjeksiyon deliğinden oluşmuştur. Delik geometrileri tüm modellerde dikdörtgendir ve aynı kesit alanına sahiptir. Üfleme oranları 0.5 ile 2.0 arasında ve delik enjeksiyon açıları ana akış yönü ile 30 alınmıştır. Modellerde rüzgâr tüneli ve delikler için sırasıyla hexahedral ve tetrahedral elemanlar kullanılarak ağ yapısı oluşturulmuştur. Sayısal modellerde optimum ağ kullanılmıştır. Enjeksiyon delik kesitlerinde ve jetler ile ana akışın karıştığı bölgelerde diğer bölgelere göre daha sık ağ aralığı kullanılmıştır. Modellerimizde k-ε türbülans modeli, enerji denklemi, ana akış ve soğutucu akışkan olarak hava ve duvarlar için standart duvar fonksiyonları seçilmiştir. Ayrıca sistemin kararlı, duvarlarda ısı kaybının olmadığı ve havanın ideal gaz olduğu kabulleri yapılmıştır. Düşük üfleme oranlarında ana akış, jeti daha kolay bükebilmekte ve böylece jet yüzey üzerine yapışabilmektedir. Bu nedenle düşük üfleme oranlarında film soğutma etkenlikleri yüksek elde edilmiştir. Delik geometrisi, eğrisel yüzeyin eğimi ve üfleme oranının film soğutma etkenliğine önemli etkileri vardır. Sonuçlar, verilen bir yüzey eğriliğinin hem ana akış hemde ana akışa dik yönde film soğutma etkenliğinin, yukarıda ifade edilen parametrelerin uygun seçimine bağlı olduğunu göstermiştir. İyi bir film soğutma için optimum yüzey eğriliği yada gaz türbini kanat eğriliğine uygun enjeksiyon delik geometrisi ve üfleme oranı seçilmelidir. Anahtar Kelimeler: Film soğutma, eğrisel yüzeyler, film soğutma etkenliği, sayısal inceleme. * Yazışmaların yapılacağı yazar: İbrahim KOÇ. i.koc@hho.edu.tr; Tel: (212) 663 24 90 dahili: 4341. Bu makale, birinci yazar tarafından İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Enerji Programı nda tamamlanmış olan "Gaz türbin kanadı üzerinde film soğutmanın sayısal ve deneysel incelenmesi" adlı doktora tezinden hazırlanmıştır. Makale metni 21.02.2006 tarihinde dergiye ulaşmış, 12.04.2006 tarihinde basım kararı alınmıştır. Makale ile ilgili tartışmalar 30.06.2007 tarihine kadar dergiye gönderilmelidir.

İ. Koç, C. Parmaksızoğlu Numerical investigation of film cooling effectiveness on the curved surface Extended abstract Gas turbine designers want the gas turbines to have high efficiency. High efficiency is one of the reasons for choosing gas turbines. High turbine inlet temperatures are required to obtain high cycle efficiency in modern gas turbines. The turbine inlet temperature is limited by current blade and vane materials. Some damages and deformations are observed in the blade and vane materials at high temperature. Thus, blade and vane materials should be resistible to such high temperatures. The resistible production of blade and vane materials at high temperatures is related with the improvements of material technology. The current blade and vane materials are made of special alloys and coatings. Moreover, the manufacturing of new blade materials takes a very long time. Therefore, the resistible manufacturing of blades at high temperature is an expensive method. Cooling with air is a less expensive method for the protection of blade and vane materials from high temperatures. Therefore, air is used for cooling on gas turbine vanes and blades as commonly. Film cooling is one of the most commonly used blade and vane cooling methods. Although the film cooling is used commonly it has lots of unknown aspects. Therefore, many researchers are interested in this cooling method. In film cooling, cooling air is injected from holes which are opened with a certain angle to the blade surface and the film layer appears on the blade surface. In this paper, effectiveness of the film cooling on four different curved surfaces and a flat surface was investigated numerically. Models consist of eleven injection holes aligned in a single row. The hole geometries are rectangle and they have the same crosssectional area in all models. The blowing ratios vary between 0.5 and 2.0 and the injection angle is 30 o. The main flow velocity value is 15 m/s and the injected fluid velocities are calculated from the blowing ratio equation. The main flow temperature is 288 K in the wind tunnel. The injected cooling air temperature is selected as 328 K. The flat plate, curved surfaces and wind tunnel are modeled in 3-D by using GAMBIT and these models were solved with the FLUENT CFD (computational fluid dynamics) software programme. In models, the wind tunnel and the holes are meshed with hexahedral and tetrahedral map respectively. Optimum mesh has been used in computational models. For the injection hole sections, a finer mesh structure has been used in comparison with that of the other sections. Standard k-ε turbulence model with standard wall function for walls have been selected. The standard k- ε model is a semi-empirical model based on model transport equations for the turbulent kinetic energy (k) and its dissipation rate (ε). The model transport equation for k is derived from the exact equation, while the model transport equation for ε was obtained using physical reasoning and bears little resemblance to its mathematically exact counterpart. In the derivation of the k-ε model, it was assumed that the flow is fully turbulent, and the effects of molecular viscosity are negligible. A wall function is used between the turbulent zone and the wall,. Therefore, the distance from the wall at the cells adjacent to the wall is determined by considering the range over which the log law is valid. Steady state solutions have been obtained assuming no heat loss at the injection hole surfaces. Furthermore, it has been accepted that the system is determined, there is no loss of heat in the walls and the air behaves like an ideal gas. The main flow bends the jet at the low blowing ratios easily and so, the jet gets stuck on blade surface. At high blowing ratios, jet goes in the main flow more easily. This shows that the momentum of jet is better than the momentum of main flow. In that case, the separations from the blade surface have appeared. The hole geometry, the slope of the curved surface and the blowing ratio have important effects on the film cooling effectiveness. The results show that the film cooling effectiveness of a given curved surface both along the mainstream and spanwise direction depends on the optimum selection of the parameters mentioned above. The best surface is C and the best blowing ratio is 0.5 in the mainstream and in the lateral direction in this study. Either optimum surface curvature or appropriate injection hole geometry and blowing ratio for the blade curvature of gas turbine need to be selected for a good film cooling effectiveness. Keywords: Film cooling, curved surfaces, film cooling effectiveness, numerical investigation. 16

Eğrisel yüzeyler üzerinde film soğutmanın sayısal incelenmesi Giriş Gaz türbinlerinde yüksek verim elde etmek için türbin giriş sıcaklığının yüksek olması istenir. Yüksek giriş sıcaklıkları türbin kanat malzemesinin bu sıcaklıklara dayanamama sorununu beraberinde getirir. Türbin kanat malzemesinin güvenli bir şekilde çalışabilmesi için ya yüksek sıcaklıklara dayanabilecek kanat malzemesine ya da kanadın soğutulmasına ihtiyaç vardır. Yüksek sıcaklıklara dayanabilecek kanat malzemesini imal etmek, soğutma yöntemine göre daha pahalı bir yöntemdir. Kanat malzemesinin hava ile soğutularak yüksek sıcaklıklardan korunması ucuz bir yöntemdir. Yüksek verim için malzeme teknolojisindeki gelişmeler ve soğutma yöntemleri birlikte kullanılmalıdır. Türbin rotor (blade) ve stator (vane) kanatçıklarının soğutulmasının bir yöntemi de film soğutmadır. Delik geometrisi, yüzey eğriliği ve üfleme oranı film soğutma etkenliğini etkileyen önemli parametrelerdir. Eğriliğin etkisini ilk olarak inceleyenler (Nicolas ve Le Meur, 1974; Folayan ve Whitelaw, 1976; Mayle vd., 1977). Onların çalışmalarında düşük üfleme oranlarında (M=0.5) eğriliğin etkisi düz yüzeylerdeki ile karşılaştırıldığında konveks (dışbükey) yüzey üzerinde film soğutma etkenliği artmış, konkav (içbükey) yüzeyde azalmıştır. Ortalama üfleme oranlarında (M=1.0) film soğutma etkenliği konveks yüzeyde, düz ve konkav yüzeye göre daha yüksek olarak bulunmuştur. Bir airfoilin emme ve basınç kenarlarındaki etkenlik ile düz bir plaka üzerindeki etkenlik verileri karşılaştırılmıştır (Ito vd., 1978). Yüzey eğriliği, soğutma deliği çapı oranına göre eğri yüzeyler (konveks, konkav ve düz plaka) için sonuçlar sunulmuştur (Kruse, 1985; Schwarz ve Goldstein, 1989; Schwarz vd., 1991). Özellikle küçük üfleme oranlarında ana akışa dik z yönde (lateral) ortalama film soğutma etkenliği, eğrilik ile arttığı gözlenmiştir. Konkav yüzeydeki bölgesel etkenliklerin z yöndeki profillerinde konveks yüzeydekinden çok daha fazla iyi olduğunu işaret etmişlerdir (Schwarz vd., 1991). İki sıralı enjeksiyonlar için konveks ve konkav yüzeyler üzerindeki film soğutma incelenmiştir (Goldstein ve Stone, 1982). Sonuçlar, tek sıralı enjeksiyonlu eğri ve düz yüzey deneysel ölçümler ile karşılaştırılmıştır. Yüzey eğriliğinin bir ve iki sıralı deliklerde film soğutma performansına etki ettiği bulunmuştur. İki sıra enjeksiyon delikli konveks ve konkav yüzeyler üzerindeki adyabatik film soğutma etkenliği kütle transferi tekniği kullanılarak incelenmiştir (Jung ve Hennecke., 2001). Jung ve Hennecke düşük ve orta üfleme oranlarında buldukları etkenlikleri düz yüzey etkenliği ile karşılaştırdıklarında, konveks yüzeyde etkenliğin arttığını, konkav yüzeyde azaldığını bulmuşlardır. Eğrisel duvar üzerinde film soğutma performansı bileşke açılı delik konfigürasyonu için üfleme oranı 0.5 ile 2.0 arasında deneysel olarak incelenmiştir (Chen vd., 2001). Sonuçlar ileri doğru genişletilen delik enjeksiyonunun basit delik enjeksiyonuna göre yüzeyi daha iyi koruduğunu göstermiştir. Sayısal çalışmalar son zamanlarda film soğutma araştırmaları için kullanılmaktadır. Hücum kenarına tek sıra olarak yerleştirilen enjeksiyon deliklerinden z yönünde ve diğer yönlerde enjekte edilen bir simetrik türbin rotor kanadı modelinin film soğutması üç boyutlu sonlu hacim metodu kullanılarak hesaplanmıştır (Lakehal vd., 2001). Sayısal çalışma Film soğutmasına yüzey eğriliğinin etkisini incelemek üzere biri düz yüzey olmak üzere beş farklı yüzey durumu dikkate alınmıştır. Herbir yüzeyde tek sıra halinde 11 enjeksiyon deliği vardır. Enjeksiyon açıları yüzeye 30 dir. Tüm modellerde delik geometrileri dikdörtgendir ve aynı kesit alan değerlerine sahiptirler. Yüzeyler ve akışa dik yöndeki enjeksiyon delik boyutları Tablo 1 de verilmiştir. Mevcut çalışmada göz önüne alınan eğrisel yüzey üzerinde enjeksiyon delikleri modeli Şekil 1a da gösterilmiştir. Ayrıca rüzgar tüneli modelinin şematik görünümü Şekil 1b de verilmiştir. 17

İ. Koç, C. Parmaksızoğlu b Tablo 1. Yüzeyler ve akışa dik yöndeki delik geometrisi boyutları Yüzey Delik kesiti a b Alan c a A b 10 5.68 56.80 0 B 10 5.68 56.80 5 C 10 5.68 56.80 8 D 10 5.68 56.80 10 E 10 5.68 56.80 12 Şekil 1a da c eğrilik yüksekliği, 267 mm deki maksimum eğriliğin yataydan olan mesafesi olarak verilmiştir. Tüm geometrilerde c yüksekliği akış doğrultusundan 267 mm olacak şekilde alınmıştır. Yüzeysel Uzunluk 2a 25.5 734 267 567 236 167 10 30 o α 734 c 230 Şekil 1a. Eğrisel yüzey üzerinde enjeksiyon delikleri Ana Akış Yönü y x z 460 460 Şekil 1b. Rüzgar tüneli modelinin şematik görünümü Düz yüzey, eğri yüzeyler ve rüzgar tüneli GAMBİT kullanılarak üç boyutlu olarak modellenmiş (Fluent 1998a, 1998b) ve üç boyutlu olarak FLUENT te çözdürülmüştür (Fluent 1998c, 1998d). Film soğutmasında kullanılan ısı akısı ifadesi aşağıda verilmiştir. q F =h F ( T aw T surf ) (1) Burada q F film soğutması için ısı akısı, h F film ısı taşınım katsayısı, T aw adyabatik duvar sıcaklığı, T surf yüzey sıcaklığı olarak verilmiştir. Bu çalışmada, rüzgar tüneli hexahedral, delikler tetrahedral mesh yapısı kullanılmış ve enjeksiyon delik bölgesinde, diğer bölgelere göre daha fazla meshleme yapılmıştır. Standart k-ε modeli, enerji denklemi, ana akış ve soğutucu akışkan olarak hava ve duvarlar için standart duvar fonksiyonları seçilmiştir. Sayısal çalışma için kararlı akış, yüzeylerden ısı kaybının olmadığı ve hava ideal gaz kabulleri yapılmıştır. Ana akış hava hızı ve enjekte edilen soğutucu hava hızı üfleme oranına göre tanımlanmıştır. M= (ρ j V j )/(ρ V ) (2) Burada M üfleme oranı, ρ j enjekte edilen akışkan yoğunluğu, V j enjekte edilen akışkan hızı, ρ ana akış yoğunluğu, V ana akış hızıdır. M üfleme oranları 0.50, 0.75, 1.0, 1.5, 2.0 olarak alınmıştır. V hızı 15 m/s alınarak V j hızı denklem 2 den hesaplanmıştır. Tünelde ana akış sıcaklığı 288 K, enjekte edilen akışkan sıcaklığı 328 K olarak alınmıştır. Sayısal çalışmalarda grid sayısı etkisi önemlidir. Sayısal çalışmalar için grid analizi yapılmalıdır. Grid sayısının çok miktarda olması bilgisayar kapasitesinin yüksek olması ihtiyacını gerektirir. Eğer yeterli kapasite ve hıza sahip bilgisayarımız yok ise çözümleme süresi çok büyük olmaktadır. Bu nedenle optimum grid sayısına ihtiyaç vardır. Grid sayısı ölçüm yapılan yüzeylerde belirli oranlarda artırılarak ölçülen sıcaklık değerlerine etkisi dikkate alınmıştır. 0.5 üfleme oranı için düğüm noktası sayısının 223200 den 18

Eğrisel yüzeyler üzerinde film soğutmanın sayısal incelenmesi 242400 e çıkarılmasının sayısal sonuçlar üzerine etkisi Tablo 2 de verilmiştir. Tabloya göre düğüm noktası sayısının 223200 den 242400 e çıkarılması durumunda sıcaklık değerlerinde çok çok küçük değişimler olmuştur. Tüm yüzeylerde 242400 düğüm sayısı kullanılmıştır. Tablo 2. Düğüm sayısının 223200 den 242400 e çıkarılmasının sayısal sonuçlara etkisi Sıcaklık değişimi Yüzey Ana akış yönü z yönü min (%) mak (%) min (%) mak (%) A 0.0154 0.0400-0.0450 0.0154 B -0.0040 0.0372-0.0657 0.1509 C 0.0007 0.0502 0.0000 0.0617 D 0.0010 0.0500 0.0006 0.0500 E 0.0184 0.1196-0.0524 0.1196 Farklı eğrilikte yüzeyler ve üfleme oranları için yüzey sıcaklıkları hesaplanmış ve hesaplanan sıcaklık değerleri kullanılarak aşağıda verilen denklem ile adyabatik film soğutma etkenliği hesaplanmıştır. = T adyabatik T T j T (3) Üfleme oranı 0.5 ten 1.0 e kadar arttırıldığında, film soğutma etkenliği azalır, oysa 1.0 ile 2.0 üfleme oranları arasında etkenlik artar. Örneğin 0.75 üfleme oranında = 1 de C ve D yüzeyleri sırasıyle %55 ve %52 en yüksek üfleme oranlarındadır. Üfleme oranı 2.0 de, = 1 de C ve A yüzeyleri sırasıyle %61 ve %58 ile sırasıyla en yüksek etkenliklere sahiptir. 0.5 ile 1.0 üfleme oranı aralığında ikinci en iyi yüzey D olmasına rağmen 1.0 ile 2.0 üfleme oranları arasında ikinci en iyi yüzey A dır (Şekil 2-6). Düşük üfleme oranlarında ana akış, jeti daha kolay bükebilmekte ve böylece jet, yüzey üzerine yapışabilmektedir. Bu nedenle düşük üfleme oranlarında film soğutma etkenlikleri yüksek elde edilmiştir (Şekil 2-6). Film soğutma etkenliği için yüzey ve üfleme oranları karşılaştırıldığında, ana akış yönünde en iyi yüzey C, en iyi üfleme oranı 0.5 tir. Yüzey eğriliği çok fazla artırıldığında veya azaltıldığında film soğutma etkenliği azalır. Bu nedenle iyi bir etkenik değeri için optimum bir yüzey eğriliği seçilmelidir. Ayrıca yüzey eğriliğini çok miktarda artırdığımızda yüzeyden ayrılmalar oluşmaktadır (Şekil 2-6). Burada film soğutma etkenliğini, T adyabatik adyabatik duvar sıcaklığını, T ana akış sıcaklığını, T j enjekte edilen akışkan sıcaklığını belirtir. Sonuçlar ve tartışma Aşağıdaki sonuçlar, 6. delik sonu koordinat ekseninin başlangıç noktası alınarak, film soğutma etkenliğine ana akış ve z yönünde üfleme oranları ve eğri yüzeylerin etkileri için bulunmuştur. 0.5 üfleme oranında C yüzeyi en yüksek film soğutma etkenliğine sahiptir. =1 de 0.5 üfleme oranında C %68 lik film soğutma etkenliğine sahiptir. Burada = X/L karakteristik uzunluktur(l bu çalışmada 7.25 mm alınmıştır). Aynı şartlarda D yüzeyi %67, E yüzeyi %66 film soğutma etkenliğine sahiptir (Şekil 2). Şekil 2. Ana akış yönünde 0.5 üfleme oranı için 19

İ. Koç, C. Parmaksızoğlu Şekil 3. Ana akış yönünde 0.75 üfleme oranı için Şekil 5. Ana akış yönünde 1.5 üfleme oranı için Şekil 4. Ana akış yönünde 1.0 üfleme oranı için Şekil 6. Ana akış yönünde 2.0 üfleme oranı için 20

Eğrisel yüzeyler üzerinde film soğutmanın sayısal incelenmesi z yönünde film soğutma etkenlik değerleri x* =1 de elde edilmiştir. z yönü z* ile gösterilmiştir. Burada z*=z/l karakteristik uzunluktur(bu çalışmada L=7.25 mm alınmıştır). Film soğutma etkenliği 0.5 ile 1.0 üfleme aralığında z yönünde azalmasına rağmen 1.0 ile 2.0 üfleme aralığında artar. Üfleme oranları karşılaştırıldığında en iyi üfleme oranı 0.5 tir. Yüzeyler karşılaştırıldığında ise en iyi yüzey z yönünde C dir (Şekil 7-11). Şekil 9. z yönünde 1.0 üfleme oranı için Şekil 7. z yönünde 0.5 üfleme oranı için Şekil 10. z yönünde 1.5 üfleme oranı için Şekil 8. z yönünde 0.75 üfleme oranı için Sonuçlar Beş farklı yüzey ve üfleme oranlarının film soğutma etken liğine etkileri sayısal olarak incelenmiş ve aşağıdaki sonuçlar bulunmuştur. Yüzey eğriliği ve üfleme oranı film soğutma etkenliğini etkiler. İyi bir film soğutma etkenliği için optimum yüzey eğriliği seçilmelidir. 21

İ. Koç, C. Parmaksızoğlu Bu çalışmada, ana akış yönünde ve z yönünde en iyi yüzey tipi C, en iyi üfleme oranı 0.5 bulunmuştur. Şekil 11. z yönünde 2.0 üfleme oranı için Kaynaklar Chen, P-H., Hung, M-S. ve Ding, P-P., (2001). Film cooling performance on curved walls with compound angle hole configuration, Annals of the NewYork Academy of Sciences, Heat Transfer in Gas Turbine Systems, 934, 353-360. Fluent, (1998a). Gambit: tutorial guide, Lebanon: Fluent Incorporated. Fluent, (1998b). Gambit: user s guide, Lebanon: Fluent Incorporated. Fluent, (1998c). Fluent 5 user's guide, Lebanon: Fluent Incorporated, 1-4. Fluent, (1998d). Fluent tutorial guide, Lebanon, Fluent Incorporated, 1-4. Folayan, C. O. ve Whitelaw, J. H., (1976). The effectiveness of two-dimensional film-cooling over curved surfaces, ASME Paper, 76-HT-31. Goldstein, R. J. ve Stone, L. D, (1982). Row-ofholes film cooling of curved walls at low injection angles, ASME Journal of Turbomachinery, 20, 4-5, 193-200. Ito, S., Goldstein, R. J. ve Eckert, E. R. G., (1978). Film cooling of a gas turbine blade, ASME Journal of Engineering for Power, 100,476-481. Jung, K. ve Hennecke, D. K., (2001). Curvature effects on film cooling with injection trough two rows of holes, Proc.RTO/AVT Symp. On advanced Flow Management-Part B: Heat Transfer and Cooling in Propulsion and Power Systems, Loen, Norway, RTO-MP-69. Kruse, H., (1985). Effects of hole geometry, wall curvature and pressure gradient on film cooling downstream of a single row, AGARD Conference Proceedings, 390, 1-13. Lakehal, D., Theodoris, G. S. ve Rodi, W., (2001). Three-dimensional flow and heat transfer calculations of film cooling at the leading edge of a symmetrical turbine blade model, International Journal of Heat and Fluid Flow, 22, 113-122. Mayle, R.E., Kopper, F.C., Blair, M.F. ve Balley, D.A., (1977). Effect of streamline curvature on film cooling, ASME Journal of Engineering for Power, 99, 77-82. Nicolas, J. ve Le Meur, A.., (1974). Curvature effects on a turbine blade film cooling, ASME Paper, no 74-GT-156. Schwarz, S. G. ve Goldstein, R.J., (1989).The twodimensional behavior of film cooling jets on concave surfaces, ASME Journal of Turbomachinery, 111, 124-129. Schwarz, S. G., Goldstein, R.J. ve Eckert, E. R. G., (1991). The influence of curvature on film cooling performance, ASME Journal of Turbomachinery, 113, 472-478. 22