Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Đo đạc trường nhiệt độ và vận tốc theo thời gian trong dòng chảy làm mát phim của tua-bin khí với sự nhiễu loạn dòng chảy chính
Tóm tắt
Các chiến lược làm mát phim của tua-bin khí phải cung cấp hiệu suất làm mát đầy đủ dưới các mức độ nhiễu loạn dòng chảy chính cao. Thông tin chi tiết về cấu trúc, động học và quy trình vận chuyển của các lớp làm mát là cần thiết để hiểu động lực học dòng chảy và phát triển các công cụ mô phỏng số phù hợp. Ở đây, chúng tôi nghiên cứu dòng chảy làm mát phim trong một đường hầm gió với nhiễu loạn dòng chính được tạo ra bởi một tấm lưới nhiễu loạn chủ động. Trường nhiệt độ và vận tốc của khí được đo bằng phương pháp hình ảnh laser dựa trên các hạt đánh dấu photphor nhiệt. Bằng cách thay thế hạt đánh dấu BaMgAl10O17:Eu2+ được sử dụng trước đó bằng ZnO, chúng tôi đã đạt được sự cải thiện đáng kể về độ chính xác và độ chính xác. Độ nhạy tăng lên (~ 1%/K) của ZnO dẫn đến việc cải thiện gấp ba lần độ chính xác nhiệt độ cho từng lần đo, đạt được ± 5 K. Kích thước hạt nhỏ hơn (dp,v ~ 600 nm) và cấu trúc nanoparticle tập hợp cũng giảm thời gian phản hồi của vật liệu đánh dấu xuống khoảng ~ 5 µs cho phép theo dõi chính xác các dao động nhiễu loạn gần 10 kHz. Hơn nữa, không có sự không chắc chắn nào phát sinh từ các hiệu ứng tán xạ đa chiều khi sử dụng các hạt ZnO trong hình học đường hầm gió này với mật độ hạt ước tính trung bình là 2 × 1011 hạt/m3. Các trường nhiệt độ-vận tốc trung bình theo thời gian, dao động và cho từng lần đo được trình bày cho hai mức độ nhiễu loạn dòng chính (\overline{u}^{\prime}/\overline{u}_{\mathrm{m}}=7% và 14%) và hai tỷ lệ động lượng (IR = 4.7 và 9.3) với tỷ lệ mật độ cố định là 1.55. Những điều kiện dòng chảy này tạo ra một jet làm mát tách ra khỏi bề mặt. Nhiễu loạn dòng chính cao khiến sự khuếch tán nhanh hơn với khí nóng xung quanh, làm tăng sự lan tỏa theo phương vuông góc tường của jet làm mát. Các trường dòng tức thì cho thấy rằng nhiễu loạn dòng chính có ảnh hưởng đáng kể đến sự dao động vận tốc lớp cắt và do đó đến dòng nhiệt turbulent theo chiều dòng chảy và vuông góc tường, được suy diễn từ dữ liệu nhiệt độ-vận tốc thu thập đồng thời. Chúng tôi phát hiện rằng nhiễu loạn dòng chính cao làm giảm dòng nhiệt ra khỏi tường, cho thấy rằng nhiễu loạn dòng chính có thể làm giảm hiệu suất làm mát. Các bộ đo tức thì được ghi lại ở tần số lặp lại 6 kHz cũng cho thấy sự tương tác động giữa nhiễu loạn của dòng chính và jet làm mát. Những phát hiện này và dữ liệu ghi lại có thể được sử dụng để tiến bộ mô hình hóa nhiễu loạn cho các mô phỏng số.
Từ khóa
#tua-bin khí #làm mát phim #nhiễu loạn dòng chảy #đo đạc nhiệt độ #đo đạc vận tốcTài liệu tham khảo
Abram C, Fond B, Beyrau F (2015) High-precision flow temperature imaging using ZnO thermographic phosphor tracer particles. Opt Express 23(15):19453–19468
Abram C, Schreivogel P, Fond B, Straußwald M, Pfitzner M, Beyrau F (2016) Film cooling flows using thermographic particle image velocimetry at a 6 kHz repetition rate. In: Proceedings of 18th international symposium on the application of laser and imaging techniques to fluid mechanics, Lisbon
Abram C, Fond B, Beyrau F (2018) Temperature measurement techniques for gas and liquid flows using thermographic phosphor tracer particles. Prog Energy Combust Sci 64:93–156
Bakhtiari A, Sander T, Straußwald M, Pfitzner M (2018) Active turbulence generation for film cooling investigations. In: Proceedings of ASME turbo expo 2018, number GT2018-76451, Lillestrom (Oslo)
Bräunling W (2015) Flugzeugtriebwerke, 4th edn. Springer, Berlin
Fond B, Abram C, Heyes A, Kempf A, Beyrau F (2012) Simultaneous temperature, mixture fraction and velocity imaging in turbulent flows using thermographic phosphor tracer particles. Opt Express 20(20):22118–22133
Fond B, Abram C, Beyrau F (2015) Characterisation of the luminescence properties of BAM:Eu2+ particles as a tracer for thermographic particle image velocimetry. Appl Phys B Lasers O 121:495–509
Fond B, Xiao C-N, T’Joen C, Henkes R, Veenstra P, van Wachem BGM, Beyrau F (2018) Investigation of a highly underexpanded jet with real gas effects confined in a channel: flow field measurements. Exp in Fluids 59(160)
Fond B, Abram C, Pougin M, Beyrau F (2019) Characterisation of dispersed phosphor particles for quantitative photoluminescence measurements. Opt Mater 89:615–622
Kadotani K, Goldstein R (1979) On The nature of jets entering a turbulent flow: part A—jet-mainstream interaction. J Eng Power 101:459–465
Kakade V, Thorpe S, Gerendas M (2012), Effusion-cooling performance at gas turbine combustor representative flow conditions. In: Proceedings of ASME turbo expo 2012, number GT2012-68115, Copenhagen
Kingery J, Ames F (2015) Full coverage shaped hole film cooling in an accelerating boundary layer with high free-stream turbulence. In: Proceedings of ASME turbo expo 2015, number GT2015-42233, Montreal
Klingshirn C (2007) ZnO: material, physics and applications. ChemPhysChem 6(8):782–803
Kohli A, Bogard D (1998) Effects of very high free-stream turbulence on the jet-mainstream interaction in a film cooling flow. J Turbomach 120:785–790
Lee H, Böhm B, Sadiki A, Dreizler A (2016) Turbulent heat flux measurement in a non-reacting round jet, using BAM:Eu2+ phosphor thermography and particle image velocimetry. Appl Phys B 122(7):1–13
Ling J, Elkins C, Eaton J (2015a) Optimal turbulent schmidt number for RANS modeling of trailing edge slot film cooling. J Eng Gas Turbines Power 137:072605
Ling J, Ryan K, Bodart J, Eaton J (2015b) Analysis of turbulent scalar flux models for a discrete hole film cooling flow. In: Proceedings of ASME turbo expo 2015, number GT2015-42092, Montréal
Martin D, Thorpe S (2012) Experiments on combustor effusion cooling under conditions of very high free-stream turbulence. In: Proceedings of ASME turbo expo 2012, number GT2012-68863, Copenhagen
Melling A (1997) Tracer particles and seeding for particle image velocimetry. Meas Sci Technol 8:1406–1416
Prahl S (2018) Mie scattering calculator. https://omlc.org/calc/mie_calc.html. Accessed 4 Oct 2020
Saumweber C, Schulz A (2012) Free-stream effects on the cooling performance of cylindrical and fan-shaped cooling holes. J Turbomach 134:061007
Saumweber C, Schulz A, Wittig S (2003) Free-stream turbulence effects on film cooling with shaped holes. J Turbomach 125:65–73
Schreivogel P, Kröss B, Pfitzner M (2014) Study of an optimized trench film cooling configuration using scale adaptive simulation and infrared thermometry. In: Proceedings of ASME turbo expo 2014, number GT2014-25144, Düsseldorf
Schreivogel P, Abram C, Fond B, Straußwald M, Beyrau F, Pfitzner M (2016) Simultaneous kHz-rate temperature and velocity field measurements in the flow emanating from angled and trenched film cooling holes. Int J Heat Mass Transf 103:390–400
Schroeder R, Thole K (2016) Effect of high freestream turbulence on flowfields of shaped film cooling holes. J Turbomach 138:091001
Schroeder R, Thole K (2017) Thermal field measurements for a shaped hole at low and high freestream turbulence intensity. J Turbomach 139:021012
Stephan M, Lee H, Albert B, Dreizler A, Böhm B (2016) Simultaneous planar gas-phase temperature and velocity measurements within a film cooling configuration using thermographic phosphors. In: Proceedings of 18th international symposium on the application of laser and imaging techniques to fluid mechanics’, Lisbon
Stephan M, Zentgraf F, Berrocal E, Albert B, Böhm B, Dreizler A (2019) Multiple scattering reduction in instantaneous gas phase phosphor thermometry: applications with dispersed seeding. Meas Sci Technol 30(5):054003
Straußwald M, Sander T, Bakhtiari A, Pfitzner M (2018) High-speed velocity measurements of film cooling applications at high-turbulence main flow conditions. In: Proceedings of ASME turbo expo 2018, number GT2018-76458, Lillestrom (Oslo)
Wieneke B (2015) PIV uncertainty quantification from correlation statistics. Meas Sci Technol 26:074002
Wright L, McClain S, Clemenson M (2010) Effect of freestream turbulence intensity on film cooling jet structure and surface effectiveness using PIV and PSP. In: Proceedings of ASME turbo expo 2010: power for land, sea and air, number GT2010-23054, Glasgow
Wright L, McClain S, Clemenson M (2011a) Effect of density ratio on flat plate film cooling with shaped holes using PSP. J Turbomach 133:041011
Wright L, McClain S, Clemenson M (2011b) Effect of freestream turbulence intensity on film cooling jet structure and surface effectiveness using PIV and PSP. J Turbomach 133:041023
Wright L, McClain S, Clemenson M (2011c) PIV investigation of the effect of freestream turbulence intensity on film cooling from fanshaped holes. In: Proceedings of ASME turbo expo 2011, number GT2011-46127, Vancouver
Wright L, McClain S, Brown C, Harmon W (2013) Assessment of a double hole film cooling geometry using S-PIV and PSP. In: Proceedings of ASME turbo expo 2013, number GT2013-94614, San Antonio
Zentgraf F, Stephan M, Berrocal E, Albert B, Böhm B, Dreizler A (2017) Application of structured illumination to gas phase thermometry using thermographic phosphor particles: a study for averaged imaging. Exp Fluids 58:82